花朵、甘蓝、贝壳、蚂蚁……这些在生活中常见的生物体皆具备复杂的三维拓扑构型。
图丨生物体中的三维多孔微结构（来源：Science）
“师法自然”，自然界生物体的进化某种意义上是世界上最严格的进程，其经历了经年累月的优化迭代。因此，多种多样的自然生物常常能够给出解决科学与工程难题的有效方法。
近期，受自然界中丰富多样的生物多孔微曲面的启发，清华大学张一慧教授团队提出了一种微点阵设计概念，能够精细调控二维薄膜的刚度分布特征，进一步结合力学引导的三维屈曲组装方法，实现了三维复杂细微曲面的定制化设计与制备。基于该方法，研究人员研制出多种新型三维柔性电子器件。
值得注意的是，与已报道的基于可编程智能软材料所构建的三维结构定制化设计方法或基于剪纸/折纸胞元的几何约束优化方法相比，微点阵设计方法在适用材料种类和三维曲面结构尺寸方面均具有明显优势。例如，该方法实现的最小结构横向尺寸仅为基于非均匀薄膜厚度调控方法实现的最小结构的 1/16。
此外，他们还揭示了具有内部键合点位的二维微点阵薄膜压缩屈曲的离散变形机制，为三维手性细微曲面的定制化设计与制备提供了新的路径。
图丨参与该研究的部分研究人员（来源：张一慧课题组）
审稿人对该研究评价道：“这是一项非常有趣的研究，包括以非常高的水平呈现从理论到计算建模到实验的完整分析。在我看来，这项研究将是该领域的一个重要的里程碑”。同时，该审稿人还指出，该研究在基于生物启发的二维薄膜构建细微尺度三维结构方面，做出了独特而重要的贡献。
与此同时， Nature 还以 Research highlight 的形式发表评述文章，对该工作的意义进行正面评价[2]。该文章指出，基于仿生微点阵的设计策略能够基于种类丰富的先进功能材料重建复杂三维生物形状。
图丨相关论文（来源：Science）
3 月 24 日，相关论文以《采用微点阵设计定制三维细微曲面》（Programming 3D curved mesosurfaces using microlattice designs）为题发表在 Science 上[1]。
清华大学航天航空学院和柔性电子技术实验室张一慧教授为该论文的通讯作者，清华大学航天航空学院博士生程旭、该院博士后范智超（现为湖南大学副教授）为论文的共同第一作者。
建立定制三维曲面的微点阵设计新方法
该研究从立项到完成的整个过程充分体现了张一慧课题组内倡导的“长期深耕、勇于创新、团队合作”。
2015 年，张一慧课题组与合作者第一次为三维微加工领域展示了一种叫做“屈曲组装”的方法，相关论文在 Science 以封面文章形式发表[3]。该方法具有可实现的三维拓扑构型丰富、适用材料范围广、结构尺寸跨度大（从亚微米到米尺度）和可大规模并行制备等多方面优势。
此后，该课题组持续发展这种力学引导的三维组装方法，并研制出多种具有新功能的三维微电子器件，包括辐射方向可调的三维可重构天线、攀爬复杂墙面的三维软体机器人、仿风传种子微飞行器和超柔低频能量收集器件等。
“这些新型器件的功能均与其三维几何构型密切相关，并且多涉及三维曲面细微结构。从应用需求出发，制造具有可定制几何形状的微尺度三维曲面及器件，在生物电子学、微机电系统、微型机器人、微纳光学等领域有着重要的应用价值。”张一慧表示。
在此背景下，该课题组针对细微尺度三维结构的定制化设计这一关键难题，从两条路径上进行持续攻关，分别是基于非均匀薄膜厚度调控和微点阵设计的三维曲面定制方法。
2020 年，在基于非均匀薄膜厚度调控的三维曲面定制方面，研究人员采用三维打印和灰度曝光方法实现二维微米薄膜厚度分布的调控[4]。但是，由于在微尺度上精细调控薄膜厚度分布的巨大技术困难，该工作实现的最小三维曲面仅为一个简单的半球面结构，其横向尺寸为 4mm，并且已经很难在结构尺寸上取得进一步突破。
显然，基于非均匀薄膜厚度调控的三维曲面定制化设计方法无法满足诸多应用场景的需求。例如，人体组织或器官的植入，高分辨率压力/温度传感，高集成度的微机电系统等均需要更小尺寸的定制化三维曲面结构。
图丨章鱼状三维细微曲面的定制化设计流程（来源：Science）
鉴于此前研究工作中从未将微点阵设计与曲率调控关联起来，因此利用微点阵设计实现三维曲面定制是该研究的核心原创思想之一，但这也同时决定了该项目的难度较大。
基于此，清华航院博士后范智超与航院本科生陈一彤首先在 2018 年开展了为期一年的先期探索，主要研究了蜂窝点阵薄膜的压缩屈曲组装变形行为，分析了键合点位分布对点阵薄膜组装构型的影响，并对刚度调控进行了初步验证。
但是，该阶段研究所涉及的点阵单胞尺寸较大，二维薄膜主要呈现为稀疏直梁网络的离散变形，且相关实验主要采用机械切割等低精度加工工艺，尚未涉及微米级点阵相关的分析与实验。
2019 年，该课题组开始采用光刻等高精度微加工工艺开展基于微点阵的设计与实验工作。在张一慧教授的指导下，程旭与范智超博士，北京科技大学姚生莲副教授，以及课题组内多位博士与博士后按照轴对称三维规则曲面定制化设计，仿生三维复杂曲面定制化设计，基于微点阵设计的三维电子器件系统依次开展，合作完成了该项工作。
其中，该研究建立了基于三维曲梁变形理论模型和机器学习辅助优化算法的定制化设计新方法，这对于适用于不同应用场景的三维电子器件研制具有重大意义。
张一慧表示：“在基于微点阵设计的三维电子器件研制方面，我们基于仿生曲面定制化设计的能力，期望能够探索该方法在生物医疗领域的应用潜力，研制出新型的生物电子器件。”
作为一种定制化设计新方法，其为三维微结构几何构型的设计带来了丰富的可能性。程旭始终在思考，微点阵设计能否拓展屈曲组装方法可实现的三维结构拓扑构型？能否实现以往的组装方法所无法实现的三维曲面结构？
带着这些问题，他尝试从大自然中寻找答案。许多花朵呈现显著的手性特征，例如曼陀罗花和栀子花，这类复杂手性曲面是目前已有的三维组装方法无法实现的。受此启发，他寻求通过微点阵设计来实现三维仿生手性曲面的方法。
从最基础的圆形微点阵薄膜的变形模式入手，该团队深入研究其压缩屈曲变形行为。力学理论分析发现，微点阵设计方法赋予了二维薄膜前驱体结构局部离散但全局连续的几何特征，从而使其在屈曲组装过程中呈现实心薄膜所不具备的离散变形机制。
该团队利用这一离散变形机制，实现了一类新型的三维细微曲面（即三维手性曲面）的设计与组装，并能够定制其手性特征，克服了传统实心薄膜扭转手性随机不可控的问题。
在该研究中涉及大量的理论设计、数值计算与微纳加工实验，研究团队共同攻克了很多的设计方法、计算收敛与实验工艺等方面的难点，项目经历了反复迭代，才实现了最终的结果。
（来源：Science）
例如，探索基于该方法研制新型生物电子器件的过程并不顺利，这期间的尝试方向经历了多轮的迭代与调整。最初，程旭与姚生莲副教授尝试将大鼠背根神经节剥离后种植在三维半球结构顶部，以观察背根神经节细胞在三维多孔曲面上的生长行为与电生理特性，并期望能够揭示微点阵图案与局部曲率特征对细胞生长与迁移行为的影响。
然而，在具体的实验中他们发现，背根神经节无法稳定粘附于半球曲面结构顶部。并且，用于组装曲面结构的硅胶基底与相关的生物实验设备兼容度较低，这导致后续的实验完全无法开展。
“实验的失败让我认识到，在现实的应用场景中，可脱离基底并维持特定几何构型的三维细微曲面的设计与制备，是其能否与不同功能平台、系统无缝集成的关键所在。”程旭说。
（来源：Science）
基于该实用化需求，程旭提出了一种基于应变限制框架的三维细微曲面独立方法，其采用柔性限位框架来约束组装的三维曲面键合点位，使其在与弹性基底脱开的同时不改变定制的三维几何构型。
根据力学理论分析结果，三维细微曲面与应变限制框架的刚度比是影响形状固定效果的关键参数。因此，该团队建立了应变限制框架翘曲系数与刚度比的标度律，以此为不同三维细微曲面独立结构的设计提供指导。
张一慧指出：“基于该新型独立方法，三维曲面不仅可以从基底上脱离，还可以倒置作为凹陷型曲面，这启发我们可以探索实用价值更高的三维生医器件。”
该团队首先提出将该类微点阵曲面结构作为细胞支架培养仿眼角膜的细胞膜片，其有望应用于角膜损伤的修复。但是，经过细致的调研与讨论，他们发现将曲面结构单纯作为角膜细胞的培养支架，并不能充分发挥微点阵设计策略的优势。
因此，他们考虑在其上部集成柔性电路与传感电极阵列等功能模块，以期对细胞生理活动获得更深入全面的理解。
由于生物体眼角膜仅参与屈光行为，通常并不涉及神经电信号的感知，最终研究团队将定制化设计目标确定为仿视网膜的三维电子细胞支架。视网膜色素上皮细胞（retinal pigment epithelium，RPE）位于三维球帽状视网膜上，对视网膜和血液间生物分子运输至关重要，但现有的 RPE 细胞培养模型多限于平面模型，与体内曲面生长环境存在显著差异。
于是，该团队研制了一种具有传感能力的球帽状电子细胞支架，其曲率半径与兔视网膜尺寸接近。RPE 细胞的荧光染*图色**像表明三维曲面支架闭合性良好，且微条带长度与 RPE 细胞尺寸相当，这使得 RPE 细胞能够均匀铺展在整个三维曲面支架上。
该细胞支架上集成有五对传感电极，可长时监测 RPE 细胞的生长与凋亡状态。该三维电子细胞支架可作为研究 RPE 细胞生理活动实时空间分布的非侵入式平台，有望应用于视网膜黄斑变性等疾病致病机理的深入研究。
有望应用于治疗心律失常、修复视网膜损伤
基于微点阵设计的人造三维微纳结构及功能器件能够提供广阔的设计空间，优异的性能和全新的功能。该研究充分展示了该设计方法在微机电系统、生物集成电子、微机器人等众多科技前沿领域广阔的应用前景。
对于三维心脏电子器件，微点阵设计既能够显著减少了电子器件对心脏的物理约束，避免了损伤性的界面粘连与褶皱，同时也为心包液的流动与润滑提供了微通道。
该器件可进一步发展，以用于临床心律失常的治疗。其中，微型 LED 阵列可以通过大面积光刺激进行光遗传学治疗，微型加热元件阵列则能够进行局部的热消融以抑制心脏的异常电信号。
图丨基于仿生微点阵方法在细微尺度上定制复杂生物曲面（来源：该团队）
仿视网膜三维电子细胞支架可进一步集成生物兼容材料（例如可降解壳聚糖材料等），并提高传感电极密度，有望作为器件原型研制实用化的人造电子视网膜。
目前，程旭已开发出一套纯干法工艺实现了壳聚糖微米级点阵图案及后续定制三维曲面的组装成型方法，为具有微米级精细特征的三维壳聚糖-金属复合型曲面结构制备提供了新的路径，也为人造电子视网膜的研制奠定了基础。
此外，仿生微点阵方法也有望在微纳光学领域发挥重要作用。现阶段，研究人员在该方向开展了初步的探索工作，设计出一种角度相关的光学超表面。通过对两条支撑条带的孔隙率分布进行定制化设计，可满足四个光学超表面不同倾斜角的需求，且通过改变预拉伸应变，还可连续调控超表面的倾角。
光学模拟结果表明，四个由不同微纳点阵胞元组成的光学超表面分别具有不同的波长适用范围，且其反射率依赖于超表面倾斜角度。因此，该器件可在太赫兹光波、红外波、微波和可见光波频段内实现反射率的同步调控。
下一步，该团队将深入研究微点阵薄膜的变形模式与失效机理，以及研制基于三维微点阵曲面的新型器件系统。
具体来说，在变形模式与失效机理方面，在该研究中研究人员目前揭示了微点阵薄膜的离散变形机制，实现了三维手性细微曲面的定制化设计。未来，他们将从力学理论建模的角度出发，深入分析微点阵薄膜的变形行为，揭示关键设计变量与变形模式、结构手性之间的内在联系，并在此基础上分析其断裂失效机理，尝试建立该类结构的失效预测方法。
在研制新型器件系统方面，该团队将进一步优化现有的三维心脏电子器件、仿生驱动器件和三维电子细胞支架，用于研制实用化的心脏疾病治疗系统、微型游泳机器人和人造电子视网膜。
参考资料：
1.Xu Cheng et al. Science , 379: 1225-1232 (2023). https://www.science.org/doi/10.1126/ science .adf3824
2.https://www.nature.com/articles/d41586-023-00878-5
3.Sheng Xu et al. Science , 347: 154-159 (2015). https://www.science.org/doi/10.1126/science.1260960
4.Zhichao Fan et al. Advanced Materials , 32: 1908424 (2020). https://doi.org/10.1002/adma.202070107