清华大学张一慧最新Science：利用微点阵设计对3D曲面介观表面进行定制

清华大学张一慧最新Science：利用微点阵设计对3D曲面介观表面进行定制

一、[导读]

细胞微结构在许多生物体(如花和叶)中自然形成，在合成、运输营养物质和调节生长方面发挥重要作用。尽管异质胞状微结构被认为在其三维(3D)形状形成中起关键作用，但在人造系统中，用胞状设计来定制三维曲面介观表面仍然是难以实现的。

二、[成果掠影]

在这项研究中，清华大学张一慧教授报道了一种合理的微点阵设计，允许通过机械引导组装将2D薄膜转化为可定制的3D曲面介观表面。解析建模和基于机器学习的计算方法作为形状定制的基础，并确定目标三维曲面所需的异质二维微点阵图案。提出了大约30种几何构型，包括规则的和生物的介面。演示包括一个可整合的3D心脏电子装置、一个双振动模式的仿生驱动器件和一种仿视网膜3D电子细胞支架。相关论文以题为“Programming 3D curved mesosurfaces using microlattice designs”发表在Science上。

三、[核心创新点]

开发了一种逆向设计方法，通过粘合在一起的二维薄膜的子集实现了复杂的三维(3D)表面。

四、[数据概览]

• 面向三维介观表面曲率定制的微点阵设计策略

图1阐述了仿生微点阵设计策略的关键概念和能力。该策略引入了一种由空间变化的三角形单元和微米尺寸的条带组成的具有工程晶格图案的2D薄膜。三角形点阵设计由于缓解了应力集中和对复杂形状边缘的出色适应性而被用来代替带圆孔的蜂窝设计。微点阵策略的实际效用需要合理的逆向设计方法作为理论基础。在这里，逆向设计问题的重点是确定目标三维表面和指定数量(N)的三角形单元的孔隙率分布、结合位点和预应变。以章鱼样的介观表面为例说明了逆向设计的关键过程(图1C)。设计目标是通过简化复杂的生物表面得到的，它由一个轴对称的"头部"区域和八个弯曲的"触手"组成。将头部区域离散为八个在中心区域相互连接的次表面，利用基于梁理论的模型来获得2D前驱体的弯曲刚度和孔隙率分布。

微点阵设计策略赋予了微薄膜局部离散但全局连续的几何特征，这使得由离散性介导的变形机制无法用于固体微薄膜。这种由离散性介导的变形机制主要发生在具有内键合位点的微薄膜中，在这些微薄膜中通常会发生局部化变形。以圆形微膜为例来描述这种机制，其中分配了四个对称分布的内键合位点。尽管结构的几何形状和加载条件关于X和Y轴对称，但屈曲变形显示出两种可能的模式，并由离散性介导。对于固态或致密分布的微点阵薄膜，涉及扭曲变形的手性模式在能量上更有利。

图1  生物启发微点阵设计策略对3D介观表面曲率定制的概念阐释© 2023 AAAS

• 3D介观表面合理组装的微点阵设计方法

基于梁理论的模型允许反设计二维带状介观结构和轴对称介观表面(图2)。通过将直的带状微点阵均匀化为实心带状结构，并利用Euler-Bernoulli梁理论，可以解析地获得目标带状的关键设计参数[包括孔隙率φ(S)和预应变ε_pre]。大多数轴对称3D表面是不可展开的，因此不能直接从几何连续的2D薄膜中组装，而不涉及大的膜应变，这对于大多数无机电子材料来说是不可容忍的。本工作引入了一种基于离散化的近似方法，以允许基于梁理论的模型在轴对称介观表面的逆向设计中发挥作用。该方法将目标表面均匀地划分为n个次表面，每个次表面可以被视为宽度不均匀的带状区域。然后，可以确定目标次表层的孔隙度分布φ(S)和预应变εpre。图2A展示了一个用10个次表面近似的半球形介面，其中组装的3D介面的光学图像和数值模拟与目标表面非常一致。实验采用200 nm Si和8 μm PI的双层膜制备，得到的半球形介观表面直径约为2 mm。同样，所提出的方法允许对不同长径比的球冠和半椭球形介面进行逆向设计。在离散过程中仅使用10个亚表面就可以得到比较接近的三维介观表面(图2 )。这些结果说明了基于微间隙策略的逆向设计方法的有效性。

如果目标三维表面不能离散成一组对称的带状，那么上述只考虑弯曲变形的基于梁理论的模型将不起作用。引入机器学习算法可以为同时具有对称和非对称构型的3D介观表面建立强大的逆向设计方法。以贝壳表面为例(图3A)，该方法首先使用能够捕获关键几何特征的策略切割将三维曲面离散为一组三维特征点。皮门托和卡兰博拉作为两个介观表面，可以按照这种离散化策略进行逆向设计(图3B)。特征点空间坐标的提取允许在仿生微点阵结构和目标表面之间进行定量的形状比较(图3B)。对于不具有明确对称性的介观表面，可以首先根据几何特征将目标表面划分为一定的次表面部分，然后使用适当的策略将每个部分进一步离散化。作为例子，图3C给出了一个类似于面具的目标表面的逆向设计结果。由4034个微三角形和7826个微带组成的整个蚁状微点阵结构准确地再现了设计目标(图3D)，显示了基于点云的方法在设计高度复杂的三维介观表面方面的能力。

图2 基于解析模型的三维曲面介观表面逆向设计 © 2023 AAAS

图3  使用基于点云的机器学习方法进行三维复杂介观表面的逆向设计© 2023 AAAS

• 基于生物启发微点阵设计的器件应用

生物启发的微点阵设计允许构建具有所需曲率分布的3D电子系统，以符合或复制生物组织和器官的弯曲表面。图4A展示了一种用于心脏传感、光刺激和热消融的可呼吸的半球形电子器件。该器件由11个蓝光微型LED、4个片式热敏电阻和1个加热器组成，铜线(250 nm)位于PI微点阵框架(10μm)上作为电气连接。在这里，本工作引入优化的蛇形结构作为应变限制框架，其中组装的半球形状不仅可以很好地保持在独立状态，而且还可以变形以适应非球形表面，从而产生高信噪比的温度传感。微点阵设计不仅减少了对心脏的物理约束，而且为心包内的润滑流体提供了微通道，避免了心包粘连。该装置可用于心律失常的治疗。蓝色微型LED阵列可进行大面积光刺激的光基因治疗，微加热器可进行局部热消融，抑制心脏表面异常电信号(图4C)。

利用微点阵设计模仿生物体动态特性的仿生3D介观结构也是可能的。图4D展示了一个具有弯曲身体和一对"扇形鳍"的黄貂鱼状3D介观结构。两个集成了翅片的电路在沿体长方向的固定磁场(B)下可以对三维介观结构产生周期性变化的洛伦兹力(图4D)。通过改变两个电路中的电流方向，调节其频率(图4,E和F)，可以激发不同的振动模态。这两种模式的共振频率(5和100 Hz)之间的差异是显而易见的，因为它们具有不同的变形特征。这些结果表明3D电子细胞支架可以作为研究细胞生理活动实时、空间分布的无创平台。

总之，基于微点阵设计方法，本工作研制了一种透气共形的三维心脏电子器件，一种具有双振动模式的仿生驱动器件和一种仿视网膜三维电子细胞支架，充分展示了该设计方法在生物电子学、微机电系统、微型机器人等领域广阔的应用前景。

图4 基于仿生微点阵设计的三维曲面介观表面的应用© 2023 AAAS

五、[成果启示]

综上所述，本文提出的仿生微点阵设计策略和逆向设计方法允许将2D薄膜合理地组装成具有不同几何形状的3D介观表面，从规则表面到高度复杂的表面。原则上，微点阵设计适用于广泛的材料，包括但不限于本工作中展示的材料。与先前的局部刚度控制策略相比，所提出的微点阵设计在可实现的几何形状、适用的材料和装配3D表面的长度尺度方面实现了根本性的进步。在共形3D心脏电子器件、仿生双模式驱动器和3D电子细胞支架中的演示表明在生物电子学、微机电系统和微型机器人中具有良好的应用前景。此外，微点阵策略可用于设计具有角度依赖反射率的光学超表面等光学器件。

第一作者：程旭、范智超

通讯作者：张一慧

通讯单位：清华大学

原文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf3824

本文由温华供稿。