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来源：研之成理收集编辑：Sylvia
▲第一作者：Xu Cheng，Zhichao Fan
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf3824
细胞微结构可以在许多生物体中自然形成（如花和叶），以提供合成、运输营养物质和调节生长的重要功能。尽管异质细胞微结构被认为在其三维（3D）形状的形成中起着关键作用，但在人造系统中，具有细胞设计的三维弯曲中表面的编程仍然难以实现。本研究报告了一种合理的微晶格设计，允许通过机械引导的组装将二维薄膜转化为可编程的三维弯曲表面。本研究利用分析建模和基于机器学习的计算方法作为形状编程的基础，并确定目标三维曲面所需的异质二维微晶格模式。介绍了大约30种几何形状，包括常规和生物中表面。本研究还演示包括一个可适应的心脏电子装置，一个类似黄貂鱼的双模式执行器，以及一个三维电子细胞支架。▲图1|通过生物启发的微晶格设计策略对三维中表面的曲率编程进行概念性说明。1、三维（3D）细胞微结构在生物体内无处不在，它们在三维形状的形成、营养物质的合成和运输以及生长和繁殖的调节方面发挥着不同的、不可替代的作用。例如，在Physalis philadelphica浆果和Silene vulgaris花中，非均匀分布的细胞微结构形成了封闭的笼子，提供了足够的硬度来支持它们的椭圆形萼囊（图1A，左和中左）。白菜叶中错综复杂的维管网在低温下可以局部收缩和单边增厚，导致形成多层球形（图1A，中右）；Stephanopyxis turris硅藻整个细胞壁上的蜂窝状细胞微结构与六边形腔体，提高了其光合作用的效率（图1A，右）。2、受细胞生物表面的启发，如图1A所示，本研究开发了一种微晶格设计策略，作为实现二维微膜所需刚度分布的有力途径，从而允许它们通过机械引导的组装转变为可编程的三维曲面中表面。本研究建立了一个分析模型和一个基于机器学习的计算方法，用于从具有优化的孔隙率和细胞大小分布的二维微晶格图案中逆向设计目标的三维曲面中表面。尽管二维到三维组装的逆向设计方法已被报道用于依赖于使用厚度工程的薄膜空间刚度控制的策略，具有可编程应变分布的软活性材料，或在kirigami和折纸方格中单元格的几何形状和旋转的约束性优化，适用材料和长度尺度的限制阻碍了它们在三维微电子装置中的效用。3、图1说明了生物启发的微晶格设计策略的关键概念和能力。这个策略引入了一个二维薄膜，其设计的晶格图案由空间变化的三角形单元和微米大小的带子组成。利用三角形晶格设计代替带有圆孔的蜂窝设计，因为应力集中的缓解和对复杂形状边缘的出色适应性。本研究以图1B的圆形设计域ℜ为例，展示了微晶格设计策略的示意图。4、微晶格策略的实际应用需要一个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规定数量（N）的三角形单元的孔隙率分布、结合点和预应变。本研究以一个章鱼状的中表面为例说明逆向设计的关键程序（图1C）。设计目标是通过简化复杂的生物表面得出的，它由一个轴对称的“头部”区域和八个弯曲的“触手”组成。将头部区域具体化为八块在中心区域相互连接的子表面，可以利用基于梁理论的模型来获得二维前体中的弯曲刚度和孔隙率的分布。各种触角的形状也可以用这个模型来再现。1、本研究基于梁理论的模型可以逆向设计二维带状中间结构和轴对称中间表面（图2）。通过将直的、带状的微晶格均匀化为固体带状结构，并使用欧拉-伯努利的梁理论，可以通过分析得到目标带状结构的关键设计参数[包括孔隙率φ（S）和预应变εpre]。大多数轴对称的三维表面是不可发展的，因此不能直接从几何上连续的二维薄膜组装，而不涉及大的膜应变（如>5%），这对大多数无机电子材料来说是不可容忍的。本研究介绍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中间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个子表面，每个子表面可以被看作是一个宽度不均匀的带状物。然后，目标次表面的孔隙率分布φ（S）和预应变εpre可以被确定。图2A展示了一个用10个子表面近似的半球形中表面，其中组装的三维中表面的光学图像和数值模拟与目标表面密切一致。2、引入内部结合点允许组装的三维中表面的曲率进行变化，从而扩大三维中表面的范围。图2B展示了一个类似火山的中表面（100纳米的钛和8微米的PI），在中心区域有一个火山口状的凹陷（直径约1.4毫米）。为内外表面的接合区域分配高水平的孔隙率（90%），使可编程的折叠变形能够再现斜坡不连续的几何特征。使用单一的内层结合点，甜甜圈式的三维中间表面也可以准确地达到。添加更多的内键位点可以结合两个或更多的定制的三维中表面，丰富了轴对称中表面的可及范围。图2C提供了两个宫殿式的中层结构，由外部区域的环形体和内部区域的圆柱体（或半球体）组成。近似封闭式的几何结构也是可能的，如图2 D和2E所示。3、上述基于光束理论的模型还可以逆向设计具有旋转对称性的三维中表面，包括从真实植物中重建的复杂的仿生物中表面。例如，蓝莓花有五个花瓣和一个花柱，它们的形状可以通过离散点采样来重建来作为本研究的设计目标（图2F，左）。然后，通过逆向设计方法可以确定双层二维前体图案和预应变（图2F，左中部。得到的仿生微晶格结构如图2F中间所示。▲图3|使用基于点云的机器学习方法对三维复杂的中间面进行逆向设计。1、如上所述，三维复杂中表面和二维微晶格薄膜之间的映射实际上被简化为一组三维点云（Xi, Yi, Zi）和另一组点云（xi, yi, zi）之间的映射。因此，计算成本可以大大降低，以促进复杂三维曲面的逆向设计。在这种方法中，用于离散目标表面的策略是很重要的。对于具有近似旋转对称性的三维表面，一组穿过中心线的平面可以将中间表面分成离散的带状部分。甘椒树和杨桃作为两个中表面，可以按照这种离散化策略进行逆向设计（图3B）。提取特征点的空间坐标可以对仿生微晶格结构和目标表面进行定量的形状比较（图3B）。对于没有明确对称性的中表面，可以首先根据几何特征将目标表面划分为某些次表面部分，然后使用适当的策略（例如径向或平行切割）将每个部分进一步离散化。2、作为一个例子，图3C介绍了一个类似于人脸面具的目标表面的逆向设计结果。这里，逆向设计首先将表面切割成三个部分，然后将这些部分离散成五个、三个和五个带状部件，分别用于“额头”、“鼻子”和“下巴”部分。3、图3D展示了使用所提出的逆向设计方法来生成一个类似蚂蚁的中间结构，其中主体部分使用类似于计算机断层扫描（CT）的切割策略进行离散。六条腿和两个触角是单独设计的，然后在组装后添加到主体部分。由4034个微三角形和7826个微带组成的整个蚂蚁状微格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中间表面的能力。▲图4|基于生物启发的微晶格设计的三维弯曲中表面的应用。1、生物启发的微晶格策略允许建造具有所需曲率分布的三维电子系统，以符合或复制生物组织和器官的弯曲表面。图4A展示了一个可呼吸的半球形电子装置，可用于心脏传感、光学刺激和热消融。这个装置由11个蓝色迷你LED、4个芯片热敏电阻和一个加热器组成，铜线（250纳米）坐在PI微晶格框架（10微米）上作为电气连接。本研究引入了优化的蛇形结构作为应变限制框架，其中组装好的半球形形状不仅可以很好地保持独立状态，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感应（图4B和图4C，顶部）。微晶格设计不仅减少了对心脏的物理限制（如界面粘连和皱纹），而且还为心包的润滑液提供了微通道，以避免心包炎。这种装置可用于治疗心律失常。蓝色微型LED阵列可以进行大面积的光刺激的光遗传治疗，而微加热器能够进行局部热消融，抑制心脏表面的异常电信号（图4C，底部）2、使用微晶格设计，模仿生物体的动态特征的仿生三维中间结构也是可能的。图4D展示了一个类似黄貂鱼的三维中间结构，有一个弯曲的身体和一对“扇形鳍”。在固定的磁场（B）下，沿身体长度方向，两个与鳍片集成的电路可以对三维介体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并调整其频率，可以激发不同的振动模式（图4E和F）。这两种模式的测量共振频率（5和100赫兹）之间的差异是显而易见的，因为它们有明显的变形特征。本文提出的生物启发的微晶格设计策略和逆向设计方法允许将二维薄膜合理地组装成具有不同几何形状的所需的三维中表面，从规则的表面（如半球形、球形、半椭圆形和半正三角形表面）到高度复杂的表面（如类似火山、花、水果、章鱼和蚂蚁的表面）。原则上，微晶格设计适用于广泛的材料，包括但不限于这项工作中展示的材料（硅、金属、壳聚糖、聚酰亚胺、SU8和激光诱导石墨烯）。与以前的局部刚度控制策略相比，本研究提出的微晶格设计策略使可实现的几何形状、适用的材料和组装的三维表面的长度尺度有了根本性的进展。保形三维心脏电子设备、仿生双模式执行器和三维电子细胞支架的演示表明，这种技术在生物电子学、微机电系统和微机器人方面有很好的应用机会。此外，微晶格策略可用于设计光学设备，如具有随角度变化的反射率的光学元表面。https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf3824更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。