近日，清华大学航天航空学院长聘教授张一慧团队在等比例缩小的“沟壑纵横”的类人脑曲面上（尺寸约 3*4cm），让微尺度的三维螺旋网络阵列得到组装和成型，这在脑机接口等领域具有应用潜力。这一实验结果的照片，也被选为当期 Science Advances 的封面图。

图 | 清华大学航院教授张一慧（来源：张一慧）

上述实验结果，是该课题组最近一项新成果的“本领”之一。其提出一种在曲面上制造复杂三维结构和电子器件的新策略，并可通过定制化曲面基底，实现与应用目标曲面完美贴合，进而提高器件整体的舒适性和稳定性。

图 | 相关论文（来源：Science Advances）

该成果具有广泛的器件应用潜力，尤其是在健康医疗领域。借助该策略，有望开发更舒适的可穿戴三维电子器件、用于人体器官健康监测的植入式多模态三维传感器、仿生三维光电器件以及组织器官培养的人造支架等应用。

相关论文以《基于曲面的复杂三维结构及电子器件组装》（Assembly of complex 3D structures and electronics on curved surfaces）为题，发表在 Science Advances 上，并被选为当期封面论文，也被 Science 作为 feature image 在网站主页中焦点报道。

图 | 论文封面（来源：Science Advances）

图 | Science 杂志网站主页的截图（来源：Science ）

审稿人评价：结果令人着迷

据介绍，生物系统大多具有复杂的三维曲面，有些甚至具有动态的、时变的特征。电子系统与这些三维曲面的共形集成，对于和生物系统的高保真信息交互至关重要。由此产生的曲面共形电子系统，在健康监测、人机界面、曲面显示、医疗器件、人工组织/器官和基础生物医学研究等领域有着广泛的应用潜力。

此外，基于立体结构的三维微电子和光电子器件，在摩擦力传感、微型机器人可控运动、宽视场光学成像和流速测量等众多领域具有不可或缺的作用。

近年来，利用可控卷曲、折叠和屈曲变形等三维组装技术，学界实现了基于高性能材料的三维结构和器件的制造。然而，所得到的三维结构主要是在平面基底上组装成型，无法直接转移到另一个曲面上。目前，在任意曲面上组装制造复杂三维电子器件仍然存在极大的挑战。

围绕这一关键科学问题，张一慧与博士后薛兆国（现为北京航空航天大学航空科学与工程学院固体力学所副教授），共同提出了一种力学引导的逐级三维组装新策略，使得平面薄膜或器件在众多三维曲面上变形为复杂的三维结构或器件，包括规则曲面和仿生曲面。

图 | 薛兆国（来源：薛兆国）

该策略首先利用力学加载将曲面弹性基底变形为平面或圆柱形结构，以便于平面薄膜的转印与集成，并通过进一步的单轴/双轴预拉伸，来驱动屈曲引导的三维组装。当把预先施加的载荷释放，便会诱发逐级的三维组装过程，并可通过定量力学模型准确地预测整个过程。

通过理论分析、有限元仿真和相关实验，该团队对该逐级组装策略的有效性进行了验证，在十余种曲面上制备几十种的复杂三维结构，涉及半导体材料硅、金属材料铜和铝、金属氧化物 ITO、聚合物 PI 和 SU8 等多种材料，尺度范围跨度也比较大，线宽从 20 微米到 3 毫米，曲面基底的最小曲率半径为 500 微米。

基于这一逐级组装策略，课题组还研制了频率连续可调的偶极子天线、与心尖共形集成的高度可拉伸三维集成电子系统、以及附着于圆管内表面的三维流体传感器。

尤其值得一提的是三维流体传感器，此前已有人报道过柔性三维器件在摩擦力、流体性质等具有空间特性的物理量测量方面的独特优势。但是，现有技术或制造方法是很难在细管内壁直接精确组装高性能无机电子器件。

而该团队利用这种独特的设计组装策略，很好地解决了这一制造难题，并制备出基于压阻效应的三维流速传感器。审稿人给予高度评价，其表示：“管内的流量传感是作者组装制造方法的一个很棒的应用，因为这个过程自然形成了一个圆柱面上的三维结构。”

（来源：Science Advances）

该审稿人还表示：“该方法极大地扩展了通过压缩屈曲形成三维结构的多样性，并在三维电子中展现出广阔的应用前景。”还有一位审稿人评价称：“这篇论文在曲面上制造 3D 结构非常有趣。结果令人着迷，论文写得很好。”

适用于众多曲面类型的复杂三维结构、以及电子器件组装

此次项目的雏形，来源于张一慧 2017 年左右的想法。2018 年 7 月，薛兆国进入其课题组从事博士研究，得悉该课题后当时他就觉得这是一个兼具高创新性和高应用潜力的项目。

后来，他和张一慧多次深入讨论，逐渐凝练出主要创新点和关键科学问题，整体框架得到完善后，课题正式立项。研究中，由薛兆国负责整体规划和实验工作，2019 级博士生金天棨主要负责有限元仿真计算工作，其他人则协助实验和仿真。

图 | 清华大学航院 2019 级博士生金天棨（来源：金天棨）

项目伊始，张一慧就给团队定下明确的目标：即发展出一种适用于几乎任意曲面的复杂三维结构组装新策略，可兼容广泛的材料体系和较大的尺度范围，进而利用三维曲面的独特优势，研制具有独特功能或高性能的电子器件。

（来源：Science Advances）

刚开始，课题组从半球面、圆柱面等较为简单的曲面开展研究，设计了与之相适应的三维结构组装策略，也造出诸多不同尺度的独特三维结构和器件。

基于此，该团队进一步引入多种复杂加载方式，让组装策略的适用曲面范围得到极大扩展，几乎能适用于任意曲面。但也在实验和仿真上，给课题组带来了极大的困难。

在张一慧的鼓励下，经过不断的探索，最终将适用的曲面扩大到螺旋面、螺旋柱面、单叶双曲面、三通管曲面和莫比乌斯环等复杂曲面。更进一步地，也开展了仿生曲面比如缠绕的藤蔓、人脸、类大脑、主动脉和心脏等曲面，也为该项目的生物医学应用奠下基础。

最后，在演示器件部分，课题组经讨论后明确了曲面三维电子器件的优势，并进行了电子器件的研制工作。

薛兆国表示，本项目的很多实验和仿真工作，在文中可能几句话就一笔带过了，但背后的工作量是巨大的。此次研究和课题组之前的平面三维组装方法区别较大，涉及到精确施加多种复杂的加载方式、微尺度二维前驱体与弹性基底的精确对准和转印等实验工作，以及大量复杂的有限仿真计算。

其次，此次项目中的很多实验工作，无法用团队原有的组装平台予以实现。这就需要根据实验需求，设计和制造多台专门的力学加载组装仪器设备。

在张一慧的指导下，薛兆国和金天棨反复讨论设计方案，并向清华大学机械加工中心的工程师请教，确定设备的细节，自己画零件图纸，请机械加工中心帮忙加工，自己一点点把加载组装设备进行组装。

期间，一共设计制造了 4 台功能各异的组装加载实验仪器。这让大家的定制实验设备能力得以提升，从而能将相关想法和仿真结果在实验中准确复现出来。比如，适用于螺旋曲面、螺旋柱面、莫比乌斯环等复杂曲面的拉伸/扭转复合加载组装方式。

师作舟楫徒行船

据介绍，薛兆国本科和博士分别毕业于应用物理学和电子科学与技术专业。博士阶段主要从事半导体纳米材料和器件的研究，其中也涉及到柔性纳米电子。

当时，他读到了张一慧教授与美国三院院士&中科院外籍院士黄永刚、美国四院院士约翰·罗杰斯（John A Rogers）联合在 Science 上发表的封面论文[2]。在这篇论文中，屈曲力学引导的三维组装方法被首次提出，其内涵在于将二维前驱体结构选择地粘接在预拉伸基底，释放预应变实现结构的压缩屈曲，实现二维到复杂三维构型的转变。读完之后，薛兆国被深深震撼。

2017 年底，在寻找博后工作时，他尝试性地给黄永刚院士和张一慧发邮件，没成想收到了他们的热情回复。当时，薛兆国在法国巴黎进行博士生联合培养，黄永刚院士和张一慧分别在美国芝加哥和中国北京。

三人身处三大洲，远隔八九个时区，通过线上视频会议进行了多次深入交流。交流中，黄永刚院士非常欣赏薛兆国的研究基础，鼓励他基于自身研究背景，从事固体力学与电子科学、材料科学等的交叉研究工作。

2018 年 5 月，薛兆国入选“博士后创新人才支持计划”，同年 7 月进入清华大学航天航空学院工程力学系从事博后研究。期间，其主要从事力学引导的三维电子器件组装、柔性电子和微型机器人等的研究工作。

值得注意的是，张一慧早年在美国留学期间，也曾师从黄永刚院士。而黄永刚院士和约翰·罗杰斯院士又是多年的“黄金搭档”，这两位行业先驱在传道、授业、解惑的经年累月里，也为多所高校培养出不少人才。一代代地开枝散叶，如今薛兆国已发表 24 篇学术论文，自己的课题组也已成立一年有余。

图 | 从左至右：约翰·罗杰斯院士和黄永刚院士（来源：资料图）

后续，薛兆国将再接再厉。据介绍，曲面三维电子器件具有两个优势：一方面，能和生物体更加完美地贴合，在增加舒适性的同时，实现与生物系统的高保真信息交互。另一方面，相较于传统平面电子，三维曲面电子在显示、成像、探测和传感等方面具有独特结构优势。

下一步，他将基于此组装策略，发挥曲面三维电子的独特应用潜力，开发新型三维电子器件。比如，进一步缩小现有器件尺寸和集成密度，以开发适用于人体血管的植入式多功能血液监测器和高性能柔性曲面三维电磁和光电器件，再比如频率与方向同时可调的曲面三维天线和仿生三维成像系统等。

参考资料：

1. Xue et al. Assembly of complex 3D structures and electronics on curved surfaces. Science Advances, 2022, 8: eabm6922 (https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm6922)

2. Xu et al. Assembly of micro/nanomaterials into complex, three-dimensional architectures by compressive buckling. Science, 2015, 347: 154-159 (https://www.science.org/doi/10.1126/science.1260960)