清华张一慧组Chem. Rev.: 力学引导的三维柔性电子器件组装方法

三维柔性电子器件因其独特的构造与功能上风，在生物学、医学、治疗、传感/成像、能源、机器人、康健监测等多个领域均展现出巨大的运用潜力。

力学勾引的三维组装方法，利用前辈材料及构造的力学事理，将器件构型由平面转为三维，是实现该类器件的关键路子之一。
经由长期的研究与探索，力学勾引三维组装方法已取得了一系列主要进展，不断推动着三维柔性电子器件领域的发展。

图1.范例的力学勾引组装方法及代表性三维柔性器件

近日，清华大学柔性电子技能实验室、航院张一慧教授团队在Chemical Reviews上揭橥综述文章，以器件构造-功能关系为主线，总结了面向三维柔性电子器件制造的主流力学勾引组装方法，综述了三维柔性电子器件在生物/医疗、电磁、能源、光电、机器人等浩瀚领域的运用，并对力学勾引三维组装方法的现有寻衅及发展方向进行了剖析与展望。

该文章基于变形模式的差异，将现有的紧张力学勾引三维组装方法分成四大类（即卷曲、折叠、共形及屈曲组装），并分别进行了全面总结（图2）。
随后，文章对三维柔性电子器件的两个核心组成部分（即互联导线与器件主构造）进行了全面回顾。
基于上述内容，文章深入剖析总结了三维柔性电子器件所特有的多种构造性功能（即三维集成与空间分辨率、能量网络、三维共形电子界面及自觉展/可重构/构造蜕变），并回顾了三维柔性电子器件在生物/医疗、电磁、能源、光电、机器人等浩瀚领域的运用。
末了，文章剖析了力学勾引的三维柔性电子器件组装方法所面临的寻衅及其未来发展方向。

图2. 文章框架

力学勾引的三维组装方法

文章详细总结了四种主流的力学勾引三维组装方法，包括卷曲组装（Rolling assembly）、折叠组装（Folding assembly）、共形组装（Curving assembly）及屈曲组装（Buckling assembly）。

1.卷曲组装

卷曲组装通过在异质构造中引入应变失落配，并利用波折变形来形成诸如管状及螺旋状的三维构型（图3）。
基于应变失落配机制，卷曲组装可分为两大类：残余应力勾引的卷曲组装及相应材料勾引的卷曲组装。
残余应力勾引的卷曲组装常通过开释双层异质外延晶态薄膜构造、施加预应力的非外延成长纳米薄膜构造或其他分层异质构造来实现。
相应性材料勾引的卷曲组装，通过采取对外界理/化/刺激相应的材料，在构造中构建应力梯度，并实现构造波折变形。
文章从上述两个方面，对卷曲组装进行了细致总结。

图3. 卷曲组装方法事理

2.折叠组装

折叠组装方法常日利用局部波折变形将具有折痕的平面先驱体折叠身分歧三维构型，如多面体或折纸构造（图4）。
基于勾引折叠的不同加载力，折叠组装可分为毛细力勾引的折叠组装、残余应力勾引的折叠组装及相应材料勾引的折叠组装。
个中，毛细力勾引的折叠组装，利用液态材料的表面张力来驱动变形；残余应力勾引的折叠组装，通过聚焦离子束及异质外延成长等手段，在构造局部引入残余应力来实现组装；相应材料勾引的折叠组装，则通过相应材料的利用，实现构造在外界刺激下的折叠组装。
文章从上述三个方面，折半叠组装进行了详细综述。

图4. 折叠组装方法事理

3.共形组装

共形组装方法可利用不同转印技能，制造可与任意曲面共形的三维柔性电子器件（图5）。
根据转印方法的不同，共形组装可分为平面策略及非平面策略。
平面策略常日可分为三步：首先，将具有与目标曲面相同构型的柔性基底展平；随后，将柔性电子器件转印至展平后的基底；末了，通过开释柔性基底的预拉伸，使柔性电子器件由初始平面构型转变为与目标曲面同等的三维构型。
非平面策略一样平常采打水转印、真空赞助转印等手段，通过利用具有繁芜三维构型的印章进行转印，实现平面柔性电子器件与繁芜三维曲面共形。
文章针对上述不同策略，对共形组装进行了总结。

图5. 共形组装方法事理

4.屈曲组装

屈曲组装方法（图6），通过弹性基底施加力学载荷，驱动二维先驱体构造发生屈曲变形，以实现柔性电子器件由平面几何构型向空间三维构型的可控转变。
屈曲组装方法兼具材料适用性广、几何构型丰富、兼容平面微纳加工等上风，可实现基于多材料体系的跨尺度繁芜三维柔性电子器件制造。
文章从二维先驱体设计、基底设计、加载策略、界面调控及独立三维微构造的制造等多个方面，详细总结了屈曲组装方法。
文章亦对上述四种主流力学组装方法进行了比拟和总结。

图6. 屈曲组装方法事理

三维互联导线

文章总结了三维柔性电子器件中常用的各种基于力学组装方法设计制造的三维互联导线，个中包括三维弧形互联导线、三维蛇形互联导线、三维螺旋形互联导线。

1.三维弧形互联导线

三维弧形导线（图7）根据其构造设计不同，可以分为离面波浪状构造及岛-桥构造。
个中，离面波浪状构造紧张通过屈曲组装方法制备，是三维柔性电子器件中较早期的互联导线形式。
由离面波浪状构造蜕变而来的岛-桥构造，常日也由屈曲组装方法制备。
得益于其显著的应变隔离效应，岛-桥构造可在供应较高延展性的同时对柔性电子器件中的硬质功能单元进行有效保护。

图7. 三维弧形互联导线

2.三维蛇形互联导线

与上述三维弧形互联导线比较，三维蛇形互联导线（图8）具有更高可拉伸性。
例如，通过利用屈曲组装的三维蛇形互联导线，柔性电子器件可具有70%的可拉伸性。
此外，通过优化组装参数及蛇形线平面几何构型，三维蛇形互联导线的可拉伸性有望得到进一步的提升。

图8. 三维蛇形互联导线

3.三维螺旋形互联导线

三维螺旋形互联导线（图9）常日由屈曲组装方法制备，与上述三维弧形及蛇形互联导线比较，其具备更高的可拉伸性。
通过不同的先驱体设计，可制备多种三维螺旋互联导线，个中包括单螺旋、双螺旋、同轴嵌套螺旋等。
三维螺旋形互联导线的可拉伸性得益于其在小变形下，构造内部具有更为均匀的应变分布。

图9. 三维螺旋形互联导线

三维柔性电子器件构造构型

文章回顾了力学勾引组装方法可实现的各种三维柔性电子器件形式（即三维弧形、螺旋形、管状、多面体、半球形、共形包裹形及其他繁芜三维构造形式），并总结了各种器件形式所独占的构造性功能。

1.三维弧形器件形式

三维弧形柔性电子器件常日可采取屈曲组装和共形组装方法制备（图10）。
得益于其离散条带的构造设计观点，具有该类构造形式的柔性电子器件，其各组成单元的几何构型及变形模式均可单独设计，从而授予该类器件一系列构造性的功能，如物理旗子暗记的解耦感知等（如，力和电磁场）。
常见的三维弧形器件包括流速传感器、力传感器、天线、微型超级电容器等。

图10. 三维弧形柔性电子器件

2.螺旋形构型

三维螺旋形柔性电子器件可通过卷曲、共形及屈曲组装等方法制备（图11）。
三维螺旋状构造构型为柔性电子器件供应了出色的可拉伸性和可波折性。
与此同时，三维螺旋状器件形式也为柔性电子器件带来了较为新颖的功能，例如仿生拍浮、自觉展等。
常见的三维螺旋形柔性电子器件包括微型游动器、热电线圈、电感等。

图11. 三维螺旋形柔性电子器件

3.管状构型

管状三维柔性电子器件紧张由卷曲组装方法制备（图12）。
其独特的微纳尺度中空构造，十分有利于光的交互行为，也为材料的存储供应了足够的空间。
上述构造特色，也使得管状三维柔性电子器件具备一系列独特的功能，并在可控光交互（散射、接管）、流体掌握、微电池、光电探测、光控开关等方向具有主要运用代价。

图12. 三维管状柔性电子器件

4.多面体构型

具有多面体构造形式的柔性电子器件紧张通过折叠组装方法制备，其紧张包括金字塔形及方形（正方形、矩形）（图13）。
与管状器件形式类似，个中空构造授予了多面体器件精良的交互性能，如物体捕获等。
常见的多面体形式器件紧张包括微细胞夹、传感器、立体显示器等。

图13. 多面体形柔性电子器件

5.半球形构型

半球形柔性电子器件多由共形组装及屈曲组装方法制备（图14）。
具有垂直方向延拓的半球状构型，可在保持器件投影面积不变的条件下，为电磁器件（天线）的电路铺设供应更多空间，进而提高器件性能（如品质因子）；同时，半球状器件形式可为功能电路供应各向同性的空间集成平台，从而授予三维柔性电子器件空间分辨、全向感知及成像能力，并能有效降落成像器件的畸变。
常见半球形式三维柔性电子器件包括半球形电小天线、半球形光电传感器、半球形电子眼等。

图14. 半球形柔性电子器件

6.共形包裹

具有共形包裹柔性构造形式的三维柔性电子器件紧张通过共形组装及屈曲组装制备（图15）。
共形包裹的构造形式也使得该类器件具有捕获物体的能力，其与多面体器件形式的显著差异在于其极强的共形能力。
常见的共形包裹类三维柔性电子器件包括神经缠绕电极、细胞/类器官器件及多功能共形电子界面器件等。

图15. 共形包裹柔性电子器件

7.其他繁芜构型

除上述器件形式外，其他繁芜器件形式也被用于三维柔性电子器件制造，如超柔构造、繁芜的折纸/剪纸构造及能够复刻生物组织表面的三维微点阵构造（图16）。
传统柔性电子器件的功能每每取决于其功能电路设计，而三维柔性电子器件的功能则由其功能电路设计及构造设计共同决定，构造性功能这一特点使得三维柔性电子器件迥异于传统平面柔性电子器件，也授予柔性电子器件更多的设计空间。

图16. 其他繁芜构型柔性电子器件

三维柔性电子器件的构造性功能

传统电子器件中，功能每每仅指代其电路的功能。
随着科技水平的不断进步，电子器件的功能也得到了极大的拓展。
为了丰富电子器件的设计维度，研究者们在器件中引入了各种各样的三维构造，授予了电子器件（柔性电子器件）一系列构造性功能。
这些构造性功能使得电子器件不再局限于单一的“电”功能，而是逐渐向机电、光电、磁电、热电、生物电及物理智能等多个方向拓展。
文章总结并深入剖析了三维柔性电子器件的各种构造性功能，个中包括三维集成与空间分辨率、高效能量网络、三维柔性电子界面构筑、可重构/自觉展/构造构型蜕变等，以明晰三维柔性电子器件功能牵引的构造设计路径。

1.三维集成与空间分辨率

与平面柔性电子器件比较，通过力学勾引组装方法制备的三维柔性电子器件具有更多的可集成空间，也使得这类器件有更高功能面覆盖率（图17）。
此外，三维器件形式亦为柔性电子器件供应了定制化的空间分辨率（即电子元件与功能模块可实现定制化的空间分布），使其能够感知空间等分布的物/化信息（如光、声、热、电、辐射、气体等）（图18）。

图17. 三维集成

图18. 空间分辨率

2.高效能量网络

自然界中振动能量非常丰富（如人体/器官的动态行为），具有超柔三维构造的柔性电子器件（如三维蛇形线）能够有效的将其转化为电能，有望为生物集成电子设备供电（图19）。
自然界中太阳能储量同样丰富，传统太阳能网络设备大多为平面构造，但因其角度依赖性，始终无法充分利用太阳能；通过力学勾引组装方法制造的三维半球形柔性电子器件可有效办理这一问题，并全向（360）光网络。

图19. 振动能量网络

3.三维柔性电子界面

繁芜三维曲面普遍存在于自然生物与人造构造中，如细胞、器官、人体、电子设备及机器人等。
具备与繁芜三维曲面共形能力的三维柔性电子器件，可作为柔性电子界面，实现针对上述物品或生物组织的永劫连续监测，如监测单个细胞或类器官等。
通过利用力学勾引组装方法，可制造多类三维柔性电子界面，如多功能类器官电子界面、心脏表面电子等，在生物、医疗等领域具有主要运用潜力（图20）。

图20. 组织器官共形包裹

4.自觉展、可重构及构造构型蜕变功能

构造蜕变能力（不局限于生物学领域的形态发生与器官发生等），如成长、形态变革及其他繁芜的构造蜕变，对生物界十分主要。
具备重构、成长、形状重塑乃至自主蜕变能力的可变形三维柔性电子器件也代表着更高等的器件形式（图21），如，可由加载路径调控的多稳态可重构三维柔性电子器件，具有自觉展功能的三维柔性神经监测器件，可动态蜕变的电磁超表面器件等。

图21. 可重构、成长、构造蜕变

综上，只管三维柔性电子器件在其独特的构造性功能方面展现出巨大的运用潜力，但其现有构造性功能大多源自于直觉或生物启示，尚缺少功能牵引的构造设计范式，亟待系统地建立其构造-功能关系，以辅导三维柔性电子器件设计。

三维柔性电子器件运用

文章详细总结了通过力学勾引组装方法制造的三维柔性电子器件在生物学、生物医学、电磁学、光电子学、能源和机器人等领域的运用。

1.三维柔性电子器件生物学运用

从与三维柔性电子器件交互工具出发，可将运用分为细胞、组织、类器官。
细胞运用中，紧张利用三维柔性电子器件的共形贴附能力及其功能模块的空间分布特性，从而实现针对单个细胞的多点位、多通道丈量，以剖析和研究细胞生物电、化学等信息的通报/传导机制。
该类器件亦被运用于类器官与组织培养中，并进实时原位监测。
此外，三维柔性电子器件可对细胞及类器官等生物组织供应主动电、热、光等物理场刺激，将有望为形态发生、器官发生等主要根本生物医疗领域供应技能支撑。

图22. 代表性生物学运用

2.三维柔性电子器件生物医疗运用

依据实际运用处景的不同，可以将生物医疗类三维柔性电子器件分为疾病监测、治疗及手术东西。
三维柔性电子器件极强的共形能力，使得其可与器官间形成机密贴合的界面，从而实现病变器官的永劫不间断监测；同样的，基于形成的生物组织-电子器件共形界面，该类器件亦可实现患处的干预及微创治疗等。

图23. 代表性生物医疗运用

3.三维柔性电子器件电磁学运用

半球状器件形式，可为三维柔性天线带来电磁相应性能的较大提升；于此同时，通过屈曲组装制备的三维柔性天线，其构造构型可通过基底进行调节，使得该类三维柔性天线的相图亦可依据运用处景需求进行调度。
采取折叠、卷曲组装等手段，可制备微纳尺度磁相应元件（如霍尔元件、巨磁阻等），并制造微型磁相应传感器。

图24. 代表性电磁学运用

4.三维柔性电子器件光电子运用

三维柔性电子器件，其特有的空间分布特色，使其在光电传感领域具有主要运用代价。
与平面光电传感器比较，三维柔性光电传感器不仅可感知光照强度、波长还可实现如入射角、出射角等平面器件难以完成的空间物理量的丈量。
同时，空间多点位分布的光电传感单元，亦可有效降落光学成像设备的畸变。
基于三维柔性构造设计制造的显示器，可实现折叠收纳、动态变构显示等独特功能。
此外，微纳尺度三维柔性光学器件，亦可实现光学手性的大范围调节。

图25. 代表性光学运用

5.三维柔性电子器件能源运用

基于超柔构造设计的三维柔性电子器件可更高效的接管外界振动旗子暗记，结合压电材料，该类器件可实现高效振动-电能转换。
具有三维管状构造的柔性储能器件（电池/超级电容器等），其特有的纳尺度构造空腔，为功能材料存储供应了更大空间，使其与同尺度下平面器件比较具有更高的能量密度。

图26. 代表性能源运用

6. 三维柔性微系统及机器人运用

三维柔性微电子系统，如三维微翱翔器、微型三维软体机器人等，具备构造-功能一体化的特色，可实现行走、爬行、拍浮及翱翔等多运动模式。
个中，仿生三维微翱翔，可实现自选稳定着落及超长滞空，有望运用于环境监测等领域；三维柔性软体机器人，可在由不同材料构成的繁芜曲面上爬行，并可通过运动模式切换，在两个墙面间翻转、攀爬。

图27. 代表性机器人运用

总结与展望

文章总结了面向三维柔性电子器件制造的力学勾引组装方法在过去20年中的发展，进一步明晰了三维柔性电子器件的材料-制造-性能-运用关系，并指出了该领域在变形模式及尺度范围、逆向设计、封装策略及运用等方向所面临的寻衅，及未来可能的发展方向。

清华大学柔性电子技能实验室、航院张一慧教授是该文章的通讯作者。
清华大学航院博士后柏韧恒、2020级博士生徐世威和2023级博士生羊佑舟为文章的共同第一作者。
本事情得到了国家自然科学基金委、新基石科学基金会所设立的科学探索奖、清华大学信息科学技能国家实验室、清华大学国强研究院基金、中国博士后科学基金等帮助。

课题组力学勾引三维组装方向事情简介

张一慧教授课题组长期致力于三维微纳构造组装、软物质与柔性构造力学等领域的研究，提出了利用屈曲力学实现三维微构造组装的原创思想，建立后屈曲剖析的双参数摄动展开理论和三维组装的逆向设计方法及实验技能，形成了一套适用于各种高性能材料和繁芜几何拓扑的微构造及电子器件三维组装方法体系。
在此根本上，研制出仿视网膜三维电子细胞支架、多步态微型攀爬软体机器人、仿风传种子三维微电子翱翔器、心脏共形电子器件等多种具有新功能的电子器件及微系统。
自2015年以来，干系成果揭橥于《科学》(Science 347: 154-159, 2015，封面文章；Science 379: 1225-1232, 2023)、《自然》(Nature 597: 503-510, 2021，封面文章)、《自然综述—材料》(Nature Reviews Materials 2: 17019, 2017，封面文章)、《自然材料》(Nature Materials 17: 268-276, 2018，封面文章)、《自然电子》(Nature Electronics 2: 26-35, 2019，封面文章)、《科学机器人》(Science Robotics 7: eabn0602, 2022)、《固体力学与物理杂志》(JMPS 111: 215-238, 2018; JMPS 129: 261-277, 2019; JMPS 173: 105203, 2023; JMPS 179: 105398, 2023)等国际学术期刊。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.3c00335