基于力学引导的屈曲三维细微结构在开发具有复杂几何形状和新型功能的柔性电子器件方面具有显著优势，在基础理论和器件应用领域受到广泛关注。其中，在柱面基底上组装出的三维柔性电子器件可与血管系统集成以监测流速及其他物理信号。近日，来自清华大学的张一慧教授团队在AMS报道针对柱面基底屈曲组装问题的研究工作，基于有限变形理论详细探究了柱面基底内外表面组装条带状结构和超柔蛇形结构的屈曲变形特征，揭示了曲面基底曲率效应对屈曲构型演化的影响机制。该模型有助于指导设计共形集成于复杂生物体表面的三维柔性电子器件及系统。
姚海民，香港理工大学
Tianqi Jin, Jianzhong Zhao, Yihui Zhang. Postbuckling analyses of ribbon-type 3D structures assembled on cylindrical substrates. Acta Mech. Sin. 40, 424130 (2024). https://doi.org/10.1007/s10409-024-24130-x
基于力学引导的屈曲三维细微结构在开发具有复杂几何形状和新型功能的柔性电子器件方面具有显著优势，在基础理论和器件应用领域受到广泛关注。近期报道了一种基于曲面基底的逐级屈曲组装策略，可在柱面基底上组装出复杂三维柔性电子器件，其可与血管系统集成以监测流速及其他物理信号。因此，深入理解组装在圆柱形基底上的弹性梁的非线性屈曲变形行为对于相关结构设计至关重要。清华大学张一慧教授团队在AMS上发表的最新工作中系统地研究了柱面基底上条带状结构的非线性屈曲变形问题。
受到弹性基底曲率效应的影响，由曲面基底组装的条带状三维柔性结构具有复杂的有限变形特征，这易致使结构发生不必要的接触问题以及系统失效。本工作主要研究了两种柱面基底屈曲组装的代表性条带状结构，包括圆弧形结构和蛇形结构。基于曲梁有限变形理论建立了预测柱面基底内外表面屈曲组装三维构型的分析模型，并考虑结构与基底接触和结构自接触可能诱发的不同屈曲构型。实验和仿真结果充分验证了该理论模型的有效性。
图1. 四种典型的基于柱面基底组装的条带状构型
研究结果表明曲面凹凸内外表面组装相比于平面基底组装能够为力学引导的三维结构组装策略提供更为丰富的拓扑构型。基于理论模型准确计算出的曲面环向阵列构型阐明了屈曲组装过程中形貌的演化规律，揭示了曲率效应对构型演化的影响机制。
图2. 柱面基底内外表面的环向阵列结构组装
基于柱面组装的三维网状功能器件表明其有望集成在生物器官表面等复杂曲面上，并通过轴向拉压变形或气动变形实现屈曲成型，可用于在较宽谐振频率范围内实现能量收集。
本工作基于有限变形理论详细探究了柱面基底内外表面组装条带状结构和超柔蛇形结构的屈曲变形特征，揭示了曲面基底曲率效应对屈曲构型演化的影响机制。该模型有助于指导设计共形集成于复杂生物体表面的三维柔性电子器件及系统。
该研究得到国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金委创新研究群体项目、清华大学国强研究院基金等项目的资助。
论文第一作者为清华大学2019级博士生金天棨，通讯作者为张一慧教授，论文作者还包括清华航院博士后赵建中。
张一慧教授课题组长期致力于三维微纳结构组装、软物质与柔性结构力学、微型机器人等领域的研究，取得一系列原创性成果：提出了利用屈曲力学实现三维微纳结构组装的原创学术思想，建立后屈曲分析的双摄动展开理论和三维组装的逆向设计方法，发展基于多场驱动及复杂加载路径的组装策略和实验方法，形成了一套可适用于各种高性能材料和复杂几何拓扑的三维微结构组装方法体系，并在此基础上研制出三维电子皮肤、微型软体攀爬机器人等多种具有新功能的电子器件和微型机器人；提出了基于多级点阵结构的网状材料设计新概念，建立其非线性细观力学大变形理论模型，制备出可精确匹配生物组织力学性能的仿生材料，以及具有超大负溶胀、可编程多稳态特性等非常规性质的力学超材料，并据此研制出用于生物软组织再生的柔性网状支架等新器件。相关成果发表于Nature、Science、Nature Materials、Nature Electronics、Nature Reviews Materials、Science Robotics、Nature Communications、Science Advances、NSR、PNAS、JMPS、Advanced Materials等高水平期刊，其中十余篇论文被Nature、Science等期刊选为封面文章。
