清華大學張一慧最新Science：利用微點陣設計對3D曲面介觀表面進行定制

清華大學張一慧最新Science：利用微點陣設計對3D曲面介觀表面進行定制

一、[導讀]

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細胞微結構在許多生物體(如花和葉)中自然形成，在合成、運輸營養物質和調節生長方面發揮重要作用。盡管異質胞狀微結構被認為在其三維(3D)形狀形成中起關鍵作用，但在人造系統中，用胞狀設計來定制三維曲面介觀表面仍然是難以實現的。

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二、[成果掠影]

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在這項研究中，清華大學張一慧教授報道了一種合理的微點陣設計，允許通過機械引導組裝將2D薄膜轉化為可定制的3D曲面介觀表面。解析建模和基于機器學習的計算方法作為形狀定制的基礎，并確定目標三維曲面所需的異質二維微點陣圖案。提出了大約30種幾何構型，包括規則的和生物的介面。演示包括一個可整合的3D心臟電子裝置、一個雙振動模式的仿生驅動器件和一種仿視網膜3D電子細胞支架。相關論文以題為“Programming 3D curved mesosurfaces using microlattice designs”發表在Science上。

三、[核心創新點]

開發了一種逆向設計方法，通過粘合在一起的二維薄膜的子集實現了復雜的三維(3D)表面。

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四、[數據概覽]

• 面向三維介觀表面曲率定制的微點陣設計策略

圖1闡述了仿生微點陣設計策略的關鍵概念和能力。該策略引入了一種由空間變化的三角形單元和微米尺寸的條帶組成的具有工程晶格圖案的2D薄膜。三角形點陣設計由于緩解了應力集中和對復雜形狀邊緣的出色適應性而被用來代替帶圓孔的蜂窩設計。微點陣策略的實際效用需要合理的逆向設計方法作為理論基礎。在這里，逆向設計問題的重點是確定目標三維表面和指定數量(N)的三角形單元的孔隙率分布、結合位點和預應變。以章魚樣的介觀表面為例說明了逆向設計的關鍵過程(圖1C)。設計目標是通過簡化復雜的生物表面得到的，它由一個軸對稱的"頭部"區域和八個彎曲的"觸手"組成。將頭部區域離散為八個在中心區域相互連接的次表面，利用基于梁理論的模型來獲得2D前驅體的彎曲剛度和孔隙率分布。

微點陣設計策略賦予了微薄膜局部離散但全局連續的幾何特征，這使得由離散性介導的變形機制無法用于固體微薄膜。這種由離散性介導的變形機制主要發生在具有內鍵合位點的微薄膜中，在這些微薄膜中通常會發生局部化變形。以圓形微膜為例來描述這種機制，其中分配了四個對稱分布的內鍵合位點。盡管結構的幾何形狀和加載條件關于X和Y軸對稱，但屈曲變形顯示出兩種可能的模式，并由離散性介導。對于固態或致密分布的微點陣薄膜，涉及扭曲變形的手性模式在能量上更有利。

圖1??生物啟發微點陣設計策略對3D介觀表面曲率定制的概念闡釋? 2023 AAAS

• 3D介觀表面合理組裝的微點陣設計方法

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基于梁理論的模型允許反設計二維帶狀介觀結構和軸對稱介觀表面(圖2)。通過將直的帶狀微點陣均勻化為實心帶狀結構，并利用Euler-Bernoulli梁理論，可以解析地獲得目標帶狀的關鍵設計參數[包括孔隙率φ(S)和預應變ε_pre]。大多數軸對稱3D表面是不可展開的，因此不能直接從幾何連續的2D薄膜中組裝，而不涉及大的膜應變，這對于大多數無機電子材料來說是不可容忍的。本工作引入了一種基于離散化的近似方法，以允許基于梁理論的模型在軸對稱介觀表面的逆向設計中發揮作用。該方法將目標表面均勻地劃分為n個次表面，每個次表面可以被視為寬度不均勻的帶狀區域。然后，可以確定目標次表層的孔隙度分布φ(S)和預應變εpre。圖2A展示了一個用10個次表面近似的半球形介面，其中組裝的3D介面的光學圖像和數值模擬與目標表面非常一致。實驗采用200 nm Si和8 μm PI的雙層膜制備，得到的半球形介觀表面直徑約為2 mm。同樣，所提出的方法允許對不同長徑比的球冠和半橢球形介面進行逆向設計。在離散過程中僅使用10個亞表面就可以得到比較接近的三維介觀表面(圖2 )。這些結果說明了基于微間隙策略的逆向設計方法的有效性。

如果目標三維表面不能離散成一組對稱的帶狀，那么上述只考慮彎曲變形的基于梁理論的模型將不起作用。引入機器學習算法可以為同時具有對稱和非對稱構型的3D介觀表面建立強大的逆向設計方法。以貝殼表面為例(圖3A)，該方法首先使用能夠捕獲關鍵幾何特征的策略切割將三維曲面離散為一組三維特征點。皮門托和卡蘭博拉作為兩個介觀表面，可以按照這種離散化策略進行逆向設計(圖3B)。特征點空間坐標的提取允許在仿生微點陣結構和目標表面之間進行定量的形狀比較(圖3B)。對于不具有明確對稱性的介觀表面，可以首先根據幾何特征將目標表面劃分為一定的次表面部分，然后使用適當的策略將每個部分進一步離散化。作為例子，圖3C給出了一個類似于面具的目標表面的逆向設計結果。由4034個微三角形和7826個微帶組成的整個蟻狀微點陣結構準確地再現了設計目標(圖3D)，顯示了基于點云的方法在設計高度復雜的三維介觀表面方面的能力。

圖2?基于解析模型的三維曲面介觀表面逆向設計?? 2023 AAAS

圖3??使用基于點云的機器學習方法進行三維復雜介觀表面的逆向設計? 2023 AAAS

• 基于生物啟發微點陣設計的器件應用

生物啟發的微點陣設計允許構建具有所需曲率分布的3D電子系統，以符合或復制生物組織和器官的彎曲表面。圖4A展示了一種用于心臟傳感、光刺激和熱消融的可呼吸的半球形電子器件。該器件由11個藍光微型LED、4個片式熱敏電阻和1個加熱器組成，銅線(250 nm)位于PI微點陣框架(10μm)上作為電氣連接。在這里，本工作引入優化的蛇形結構作為應變限制框架，其中組裝的半球形狀不僅可以很好地保持在獨立狀態，而且還可以變形以適應非球形表面，從而產生高信噪比的溫度傳感。微點陣設計不僅減少了對心臟的物理約束，而且為心包內的潤滑流體提供了微通道，避免了心包粘連。該裝置可用于心律失常的治療。藍色微型LED陣列可進行大面積光刺激的光基因治療，微加熱器可進行局部熱消融，抑制心臟表面異常電信號(圖4C)。

利用微點陣設計模仿生物體動態特性的仿生3D介觀結構也是可能的。圖4D展示了一個具有彎曲身體和一對"扇形鰭"的黃貂魚狀3D介觀結構。兩個集成了翅片的電路在沿體長方向的固定磁場(B)下可以對三維介觀結構產生周期性變化的洛倫茲力(圖4D)。通過改變兩個電路中的電流方向，調節其頻率(圖4,E和F)，可以激發不同的振動模態。這兩種模式的共振頻率(5和100 Hz)之間的差異是顯而易見的，因為它們具有不同的變形特征。這些結果表明3D電子細胞支架可以作為研究細胞生理活動實時、空間分布的無創平臺。

總之，基于微點陣設計方法，本工作研制了一種透氣共形的三維心臟電子器件，一種具有雙振動模式的仿生驅動器件和一種仿視網膜三維電子細胞支架，充分展示了該設計方法在生物電子學、微機電系統、微型機器人等領域廣闊的應用前景。

圖4?基于仿生微點陣設計的三維曲面介觀表面的應用? 2023 AAAS

五、[成果啟示]

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綜上所述，本文提出的仿生微點陣設計策略和逆向設計方法允許將2D薄膜合理地組裝成具有不同幾何形狀的3D介觀表面，從規則表面到高度復雜的表面。原則上，微點陣設計適用于廣泛的材料，包括但不限于本工作中展示的材料。與先前的局部剛度控制策略相比，所提出的微點陣設計在可實現的幾何形狀、適用的材料和裝配3D表面的長度尺度方面實現了根本性的進步。在共形3D心臟電子器件、仿生雙模式驅動器和3D電子細胞支架中的演示表明在生物電子學、微機電系統和微型機器人中具有良好的應用前景。此外，微點陣策略可用于設計具有角度依賴反射率的光學超表面等光學器件。

第一作者：程旭、范智超

通訊作者：張一慧

通訊單位：清華大學

原文詳情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf3824

本文由溫華供稿。