近来，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（标准约 3*4cm），

　　上述试验效果，是该课题组最近一项新效果的身手之一。其提出一种在曲面上制作杂乱三维结构和电子器材的新战略，并可经过定制化曲面基底，完成与使用方针曲面完美贴合，然后进步器材全体的舒适性和稳定性。

　　该效果具有广泛的器材使用潜力，特别是在健康医疗范畴。凭借该战略，有望开发更舒适的可穿戴三维电子器材、用于人体器官健康监测的植入式多模态三维传感器、仿生三维光电器材以及安排器官培育的人工支架等使用。

　　据介绍，生物体系大多具有杂乱的三维曲面，有些乃至具有动态的、时变的特征。电子体系与这些三维曲面的共形集成，关于和生物体系的高保真信息交互至关重要。由此发生的曲面共形电子体系，在健康监测、人机界面、曲面显现、医疗器材、人工安排/器官和根底生物医学研讨等范畴有着广泛的使用潜力。

　　此外，依据立体结构的三维微电子和光电子器材，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丈量等许多范畴具有不可或缺的效果。

　　近年来，使用可控弯曲、折叠和委曲变形等三维拼装技能，学界完成了依据高性能资料的三维结构和器材的制作。可是，所得到的三维结构首要是在平面基底上拼装成型，无法直接转移到另一个曲面上。现在，在恣意曲面上拼装制作杂乱三维电子器材依然存在极大的应战。

　　环绕这一要害科学问题，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），一起提出了一种力学引导的逐级三维拼装新战略，使得平面薄膜或器材在许多三维曲面上变形为杂乱的三维结构或器材，包含规矩曲面和仿生曲面。

　　该战略首要使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，并经过进一步的单轴/双轴预拉伸，来驱动委曲引导的三维拼装。当把预先施加的载荷开释，便会诱发逐级的三维拼装进程，并可经过定量力学模型精确地猜测整个进程。

　　经过理论剖析、有限元仿真和相关试验，该团队对该逐级拼装战略的有效性进行了验证，在十余种曲面上制备几十种的杂乱三维结构，触及半导体资料硅、金属资料铜和铝、金属氧化物 ITO、聚合物 PI 和 SU8 等多种资料，标准规模跨度也比较大，线 毫米，曲面基底的最小曲率半径为 500 微米。

　　依据这一逐级拼装战略，课题组还研发了频率接连可调的偶极子天线、与心尖共形集成的高度可拉伸三维集成电子体系、以及附着于圆管内外表的三维流体传感器。

　　特别值得一提的是三维流体传感器，此前已有人报导过柔性三维器材在摩擦力、流体性质等具有空间特性的物理量丈量方面的共同优势。可是，现有技能或制作办法是很难在细管内壁直接精确拼装高性能无机电子器材。

　　而该团队使用这种共同的规划拼装战略，很好地处理了这一制作难题，并制备出依据压阻效应的三维流速传感器。审稿人给予高度点评，其表明：管内的流量传感是作者拼装制作办法的一个很棒的使用，由于这个进程天然构成了一个圆柱面上的三维结构。

　　该审稿人还表明：该办法极大地扩展了经过紧缩委曲构成三维结构的多样性，并在三维电子中展现出宽广的使用远景。还有一位审稿人点评称：这篇论文在曲面上制作 3D 结构十分风趣。效果令人入神，论文写得很好。

　　此次项意图雏形，来源于张一慧2017 年左右的主意。2018 年 7 月，薛兆国进入其课题组从事博士研讨，得知该课题后其时他就觉得这是一个兼具高立异性和高使用潜力的项目。

　　后来，他和张一慧屡次深化评论，逐步凝练出首要立异点和要害科学问题，全体结构得到完善后，课题正式立项。研讨中，由薛兆国担任全体规划和试验作业，2019 级博士生金天棨首要担任有限元仿真核算作业，其他人则帮助试验和仿真。

　　项目伊始，张一慧就给团队定下清晰的方针：即发展出一种适用于简直恣意曲面的杂乱三维结构拼装新战略，可兼容广泛的资料体系和较大的标准规模，然后使用三维曲面的共同优势，研发具有共同功用或高性能的电子器材。

　　刚开始，课题组从半球面、圆柱面等较为简略的曲面展开研讨，规划了与之相适应的三维结构拼装战略，也造出许多不同标准的共同三维结构和器材。

　　依据此，该团队进一步引进多种杂乱加载办法，让拼装战略的适用曲面规模得到极大扩展，简直能适用于恣意曲面。但也在试验和仿真上，给课题组带来了极大的困难。

　　在张一慧的鼓舞下，经过不断的探究，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杂乱曲面。更进一步地，也展开了仿生曲面比方环绕的藤蔓、人脸、类大脑、主动脉和心脏等曲面，也为该项意图生物医学使用奠下根底。

　　最终，在演示器材部分，课题组经评论后清晰了曲面三维电子器材的优势，并进行了电子器材的研发作业。

　　薛兆国表明，本项意图许多试验和仿真作业，在文中或许几句话就一笔带过了，但背面的作业量是巨大的。此次研讨和课题组之前的平面三维拼装办法差异较大，触及到精确施加多种杂乱的加载办法、微标准二维前驱体与弹性基底的精确对准和转印等试验作业，以及许多杂乱的有限仿真核算。

　　其次，此次项目中的许多试验作业，无法用团队原有的拼装渠道予以完成。这就需求依据试验需求，规划和制作多台专门的力学加载拼装仪器设备。

　　在张一慧的指导下，薛兆国和金天棨重复评论规划方案，并向清华大学机械加工中心的工程师讨教，确认设备的细节，自己画零件图纸，请机械加工中心帮助加工，自己一点点把加载拼装设备进行拼装。

　　期间，总共规划制作了 4 台功用各异的拼装加载试验仪器。这让我们的定制试验设备才能得以提高，然后能将相关主意和仿真效果在试验中精确复现出来。比方，适用于螺旋曲面、螺旋柱面、莫比乌斯环等杂乱曲面的拉伸/改变复合加载拼装办法。

　　据介绍，薛兆国本科和博士别离结业于使用物理学和电子科学与技能专业。博士阶段首要从事半导体纳米资料和器材的研讨，其间也触及到柔性纳米电子。

　　其时，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 上宣布的封面论文[2]。在这篇论文中，委曲力学引导的三维拼装办法被初次提出，其内在在于将二维前驱体结构挑选地粘接在预拉伸基底，开释预应变完成结构的紧缩委曲，完成二维到杂乱三维构型的改变。读完之后，薛兆国被深深震慑。

　　2017 年末，在寻觅博后作业时，他测验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心回复。其时，薛兆国在法国巴黎进行博士生联合培育，黄永刚院士和张一慧别离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，经过线上视频会议进行了屡次深化沟通。沟通中，黄永刚院士十分赏识薛兆国的研讨根底，鼓舞他依据本身研讨布景，从事固体力学与电子科学、资料科学等的穿插研讨作业。

　　2018 年 5 月，薛兆国当选博士后立异人才支撑方案，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讨。期间，其首要从事力学引导的三维电子器材拼装、柔性电子和微型机器人等的研讨作业。

　　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，这两位职业前驱在传道、授业、解惑的经年累月里，也为多所高校培育出不少人才。一代代地开枝散叶，现在薛兆国已宣布 24 篇学术论文，自己的课题组也已建立一年有余。

　　后续，薛兆国将再接再厉。据介绍，曲面三维电子器材具有两个优势：一方面，能和生物体愈加完美地贴合，在添加舒适性的一起，完成与生物体系的高保真信息交互。另一方面，相较于传统平面电子，三维曲面电子在显现、成像、勘探和传感等方面具有共同结构优势。

　　下一步，他将依据此拼装战略，发挥曲面三维电子的共同使用潜力，开发新式三维电子器材。比方，进一步缩小现有器材标准和集成密度，以开发适用于人体血管的植入式多功用血液监测器和高性能柔性曲面三维电磁和光电器材，再比方频率与方向一起可调的曲面三维天线和仿生三维成像体系等。