清華社のブラック テクノロジーがサイエンス誌の表紙に登場: フィルムが丸いチューブに取り付けられ、数秒で複雑な 3D 構造に変換されます

産業現場では、部品と電子機器の組み立ては、複雑な機械機器を正常に動作させるための重要なリンクです。以前は、これらのコンポーネントが組み立てられる基板は主に平面であり、曲面上に組み立てられる少数の部品は、ほとんどが単純な構造に限定されており、修正が困難でした。

複雑な三次元構造部品の場合、取り付けや修正を容易にしながら曲面基板に取り付けることはできますか?最近、清華大学のZhang Yihui教授のチームは、この問題を解決するための新しい組み立て戦略を提案し、その結果をScience Advanceの最新号に発表しました。

論文リンク: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm6922

この論文では、人工三次元構造を備えた電子デバイスが摩擦感知、広視野光学イメージング、および流速測定に不可欠であると述べられています。機械ガイドによるアセンブリの最近の進歩により、制御された回転/折り畳み/曲げ変形を通じて、高性能材料に定義された 3 次元構造ルートが確立されます。ただし、得られる三次元構造はほとんどが平らな基板上に形成され、別の曲面基板に直接転写することはできません。

この研究では、2D フィルムをさまざまな曲面上の複雑な 3D 構造に変換できる順序付けされたアセンブリ戦略を紹介します。この戦略は、所定の機械的荷重を利用して湾曲したエラストマー基板を平面/円筒構造に変形させ、その後追加の一軸/二軸予張力によって駆動してバックルガイドアセンブリを駆動します。

メカニカルモデリングにより、所定の荷重を正確に解放し、複雑な三次元構造の部品を曲面上に整然と組み立てることができます。 , 湾曲したベースの上に数十個組み立てられた構造物のようなパーツ。これらには、調整可能なダイポール アンテナ、水道管内の流量センサー、心臓と共形的に統合できる統合電子システムなどが含まれます。

上の図は、複雑な 3 次元の秩序ある組み立て戦略の概念図です。曲面上の構造。

(A) 人間の顔の 3 次元の装飾マスクの形成を使用して、順序立てて組み立てる戦略を説明します。右側の 2 つの画像は、有限要素解析による予測と、銀 (5 μm) と PET (75 μm) の二重層の三次元構造の光学画像に対応します。

(B) 上の図は、スパイラルベースと、ねじりおよび引張荷重によって平坦化できるスパイラルベースの有限要素解析結果です。下のパネルは、スパイラル基板上での 3 次元の葉のような構造の順序付けられた組み立てプロセスを、有限要素解析の予測と光学イメージング画像とともに示しています。

(C) 円筒管の内面に三次元構造体を組み立てる概念図 二次元前駆体と一体化する前に基板を斜めにカットし、平坦化します。曲げ変形をさせた後、予備伸長させます。下のパネルは、円筒管内で層状の三次元らせん構造 [アルミニウム (2.5 μm)/PET (30 μm)] が規則的に組み立てられるプロセスを、有限要素解析による予測と光学画像とともに示しています。

(D) メビウスの輪状の基板上に三次元構造体を組み立てる過程と基板上に組み立てられたアリ状構造体の図解［Al（2.5μm）］ / PET（30m）】有限要素解析予測と光学画像。

上の図は、平らにすることができる曲面上に組み立てられた複雑な 3 次元構造を示しています。

(A)は、一軸延伸により平坦化できる馬蹄形の曲面基材の模式図である。 (B) 馬蹄形の基板上の 3 次元リボン構造の組み立てプロセスを示す光学画像。 (C) さまざまな程度の二軸延伸下での半球エラストマー基材の生成マトリックス プロファイルの有限要素解析と実験結果。 R0 は最初の半球の半径を表します。 (D) さまざまな程度の二軸延伸下での半球マトリックスの最大主ひずみプロファイルの有限要素解析予測。

(E) 有限要素解析によって予測された、半球ベース上に組み立てられたさまざまな長さの直線リボン (リボン) の比較。 (F) 半球状基板の凸面および凹面上に組み立てられたさまざまな 3D 構造の 2D 形状、FEA 予測、および実験画像。 G to J: 半球状のベースに半楕円面を組み合わせた逆デザイン。 (K から N) 半球ベース上の異なる空間位置に組み立てられた同じ高さ (hi) の小さな半球の逆設計。 (O および P) ブレインノイドの表面に集合した、らせん状の微細スケール構造と小さな三次元菱面体晶リボン状微細構造のネットワークの光学画像。

上の図は、円筒/準円筒面上の複雑な 3 次元構造の組み立てを示しています。

(A) 湾曲したベースとして使用される大動脈モデルと、圧縮座屈によるこのベース上のらせん構造と二重らせん構造の組み立てプロセスの概略図。

(B) 引張座屈によって円筒形のベース上に異なる長さの直線ストリップを組み立てるプロセス。

(C) 円筒状基板上に組み立てられたさまざまな 3 次元構造の 2 次元幾何学、有限要素解析予測および実験画像。

(D) 2D プリカーサー、有限要素解析予測、および引張座屈によって形成された切り紙にインスピレーションを得た鱗状の 3D 構造の実験画像。

(E) 有限要素解析の予測と実験画像は、アルキメデスの螺旋繊維上で切り紙にインスピレーションを得た鱗構造の配列が秩序正しく組み立てられるプロセスを示しています。

(F から H) ヘリカル ファイバー上の異なる空間領域で同じ高さと間隔でヘリカル構造を組み立てるリバース デザイン。

著者チーム

この記事の責任著者は工学部 Zhang Yihui 博士です。清華大学航空宇宙学院機械学 常任教授。

2011 年に清華大学航空宇宙学部工学機械学科で博士号を取得。 2011 年から 2015 年まで、ノースウェスタン大学の土木環境工学科で博士研究員および研究助教授を務めました。 2015年に清華大学工学機械学科に着任し、准教授、常任准教授、常任教授を歴任した。

主な研究分野は、力学に導かれた三次元微細構造アセンブリ、型破りなソフトマテリアル、柔軟で展性のある電子デバイス、スマートマテリアル、構造力学です。これまでに認定された中国の発明特許は 5 件あります。 3件の米国発明特許、1件の学術モノグラフ、および150件を超えるSCI論文を取得しており、そのうち責任著者は「Science」、「Nature」、「Nature Materials」、「Nature Electronics」、「Nature Reviews」に掲載されています。 Materials", " 彼は、Nature Communications、Science Advances、PNAS、JMPS、Advanced Materials、ACS Nano などのジャーナルに 80 以上のハイレベルな学術論文を発表しています。

共同筆頭著者の 2 人である Xue Zhaoguo 氏と Jin Tianqi 氏は、どちらも清華大学工学機械学科応用力学研究室の出身です。 Xue Zhaoguo は主に、概念化、データキュレーション、正式な分析、資金調達、調査、方法論、プロジェクト管理、リソース、ソフトウェア、検証、視覚化、論文執筆、レビュー、編集を担当しています。 Jin Tianqi は主に、概念化、データ管理、形式分析、調査、方法論、ソフトウェア、視覚化、論文執筆を担当しています。

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