清華黑科技登Science子刊封面：圓管上貼個膜，秒變3D複雜結構

在工業實務中，零件和電子設備的組裝，是複雜機械設備正常運作的關鍵環節。過去，這些零件組裝的基板以平面為主，少數曲面組裝的零件，也多半僅限於簡單結構，而且不好改裝。

 對於複雜的立體結構零件，能不能在曲面基板上安裝，同時實現安裝方便，改裝也方便呢？ 最近，清華大學張一慧教授團隊提出一種新的組裝策略，解決了這個問題，並將成果發表在最近一期的Science Advance上 。

 

#論文連結：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm6922

論文提到，具有工程化三維結構的電子設備，對於摩擦力感測、寬視野光學成像和流速測量是必不可少的。 最近在機械引導組裝方面的進展，透過控制滾動/折疊/彎曲變形，在高性能材料中建立了確定的三維結構路線。然而，所產生的三維結構大多是在平面基底上形成的，不能直接轉移到另一個彎曲的基底。 

本研究介紹了一種有序的組裝策略，可以在不同的彎曲表面上將二維薄膜轉化為複雜的三維結構。此策略利用預定機械負載，​​使彎曲的彈性體基底變形為平面/圓柱形結構，然後透過額外的單軸/雙軸預拉伸來驅動扣弦引導的組裝。

透過力學建模，可以準確釋放預定的載荷，實現在曲面上有序組裝複雜三維結構的零件，本文中實例在彎曲基底上組裝了幾十個這類結構的零件。包括可調諧偶極子天線、水管內的流量感測器、能夠與心臟共形整合的整合式電子系統等。

  

#上圖為複雜三維結構在曲面上的有序組裝策略的概念圖。 

(A) 用人臉的三維裝飾面具的形成來說明有序組裝策略。右邊的兩張圖片對應的是銀（5公尺）和PET（75公尺）雙層中三維結構的有限元素分析預測和光學影像。

 (B) 上圖是一個螺旋形基底和螺旋形基底的有限元素分析結果，它可以被扭轉和拉伸載荷壓平。底部面板展示了三維葉狀結構在螺旋形基底上的有序組裝過程，以及有限元素分析預測和光學成像圖。

 (C) 在圓柱形管子的內表面組裝三維結構的概念圖，在與二維前驅體整合之前，基材被斜著裁剪，透過彎曲變形壓平，然後預拉伸。底部面板展示了圓柱形管內分層三維螺旋結構[鋁（2.5米）/PET（30米）]的有序組裝過程，並附有有限元素分析預測和光學圖像。

(D) 三維結構在具有莫比烏斯帶形狀的基底上的組裝過程的說明，以及在基底上組裝的蟻狀結構[Al (2.5 m)/ PET (30 m)]的有限元素分析預測和光學影像。 

 

#上圖為可壓平的彎曲表面上組裝的複雜的三維結構。 

其中(A) 為馬蹄形彎曲基底的示意圖，它可以透過單軸拉伸壓平。 (B) 說明馬蹄形基板上三維帶狀結構組裝過程的光學影像。 (C) 在不同程度的雙軸拉伸下，半球形彈性體基底的生成矩陣輪廓的有限元素分析和體驗結果。 R0表示初始半球的半徑。 (D) 在不同程度的雙軸拉伸下，半球形基體的最大主應變輪廓的有限元素分析預測。 

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(E) 為透過有限元素分析預測，不同長度的直帶（Lribbon）組裝在半球形基底上的比較。 (F) 組裝在半球形基底的凸面和凹面上的各種三維結構的2D幾何圖形、FEA預測以及實驗圖像。 G到J：組裝在半球形基底上的半橢圓形表面的逆向設計。 (K到N)在半球形基底上不同空間位置組裝的具有相同高度(hi)的小半球形的逆向設計。 (O和P) 組裝在類腦表面的螺旋形微尺度結構網絡和微小的三維斜方體帶狀微尺度結構的光學影像。 

 

#上圖為複雜三維結構在圓柱體/類別圓柱體表面的組裝。

 (A) 用作彎曲基底的主動脈模型的示意圖，以及透過壓縮屈曲在該基底上的螺旋和雙螺旋結構的組裝過程。

 (B) 透過拉伸屈曲在圓柱形基底上組裝不同長度的直條帶的過程。

 (C) 各種三維結構組裝在圓柱形基底上的二維幾何圖形、有限元素分析預測和實驗圖像。 

(D)二維前體、有限元素分析預測和透過拉伸屈曲形成的kirigami-inspired鱗片狀三維結構的實驗圖像。

 (E) 有限元素分析預測和實驗圖像表明，在阿基米德螺旋纖維上的kirigami啟發的尺度結構陣列的有序組裝過程。

 (F至H）在螺旋纖維上的不同空間區域組裝具有相同高度和間距的螺旋結構的逆向設計。

作者團隊

 

#本文通訊作者為張一慧博士，清華大學航太航空學院工程力學系長聘教授。

2011年在清華大學航太學院工程力學系獲博士學位。 2011年至2015年在美國西北大學土木與環境工程系先後擔任Postdoctoral Fellow和Research Assistant Professor。 2015年加入清華大學工程力學系，並擔任副教授、長聘副教授、長聘教授。

主要研究領域為力學引導的三維微結構組裝，非常規軟材料，柔性可延展電子裝置，智慧材料與結構力學 至今已授權的中國發明專利5項、美國發明專利3項，出版學術專題論文1部，發表SCI論文150餘篇，其中以通訊作者在《Science》、《Nature》、《Nature Materials》、《Nature Electronics》、《Nature Reviews Materials》、《 Nature Communications》、《Science Advances》、《PNAS》、《JMPS》、《Advanced Materials》、《ACS Nano》等期刊發表高水準學術論文80餘篇。

 兩位共同一作Xue Zhaoguo和Jin Tianqi皆來自清華大學工程力學系應用力學實驗室。 Xue Zhaoguo主要負責概念化，資料整理，形式分析，資金獲取，調查，方法學，專案管理，資源，軟體，驗證，視覺化，論文寫作、審查和編輯。 Jin Tianqi主要負責概念化、資料管理、形式分析、調查、方法論、軟體、視覺化和論文寫作。

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