據麥姆斯咨詢報道，近日，清華大學航天航空學院張一慧教授課題組提出了一種在曲面上制造復雜三維結構和電子器件的新策略。基于該策略課題組在十余種不同曲面上成功制備了幾十種基于高性能材料的復雜三維結構，并研制出連續可調的偶極子天線，與心尖共形集成的高度可拉伸三維集成電子系統，以及附著于圓管內表面的三維流體傳感器。

相關研究成果于8月10日在《科學·進展》（Science Advances）以“基于曲面的復雜三維結構及電子器件組裝”（Assembly of complex 3D structures and electronics on curved surfaces）為題發表，并被選為當期封面。

在摩擦力傳感、微型機器人可控運動、寬視場光學成像和流速測量等眾多領域，基于三維立體結構的微電子和光電子器件具有不可或缺的作用。近年來，研究者利用可控卷曲、折疊和屈曲變形等三維組裝技術，實現了基于高性能材料的三維結構和器件的制造。然而，所得到的三維結構主要是在平面基底上組裝成型的，無法直接轉移到另一個曲面上。目前，在任意曲面上組裝制造復雜三維電子器件仍然具有很大的挑戰性。

清華大學航天航空學院張一慧教授課題組提出了一種力學引導的逐級三維組裝策略，使得平面薄膜或器件可以在眾多三維曲面上變形為復雜的三維結構或器件，包括規則曲面（如半球面、圓柱面、螺旋面和雙曲面）和仿生曲面（如纏繞的藤蔓、人臉、類大腦、主動脈和心臟等）。該策略首先利用力學加載將曲面彈性基底變形為平面或圓柱形結構，以便于平面薄膜的轉印與集成，并通過進一步的單軸/雙軸預拉伸來驅動屈曲引導的三維組裝。將預先施加的載荷釋放，便會誘發逐級的三維組裝過程，并可通過定量的力學模型準確地預測整個過程。

曲面上復雜三維結構的逐級組裝策略。A圖為在人臉曲面上組裝成型三維裝飾面具；B圖為在螺旋曲面上組裝三維葉子狀結構；C圖為在圓柱面的內表面組裝三維螺旋線結構；D圖為在莫比烏斯環上組裝仿生螞蟻結構。

研究人員通過理論分析、有限元仿真和實驗對該逐級組裝策略的有效性進行了驗證，在十余種不同曲面基底上設計制造了幾十種具有不同幾何構型的三維結構。基于這一逐級組裝策略，還研制出頻率連續可調的偶極子天線，與心尖共形集成的高度可拉伸三維集成電子系統，以及附著于管內表面的三維流速傳感器。

A圖為在不同曲面上組裝的不同尺度不同材料的復雜三維結構（從左到右的比例尺為100m、200m、5mm、5mm和10mm）；B圖為與心尖共形集成的高度可拉伸三維集成電子系統; C圖為在管內表面的三維流速傳感器；D圖為連續可調的偶極子天線

清華大學航院張一慧教授為文章的通訊作者。清華大學航院博士后薛兆國（現為北京航空航天大學副教授）、2019級博士生金天棨為文章的共同第一作者。清華大學航院2020級博士生徐世威、2017級博士生程旭、2019級博士生籍梓垚、2017級博士生龐文博、2019級博士生沈張明、2018級博士生帥雨萌，航院2014級本科生賀琪，以及航院博士后張帆、白柯、宋洪烈等參與了此項研究。該研究成果得到了國家自然科學基金委（原創探索計劃項目、創新研究群體和青年科學基金）、霍英東青年教師基金、博士后創新人才支持計劃等項目的資助。