在工業(yè)實踐中，零件和電子設(shè)備的裝配，是復(fù)雜機械設(shè)備正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。過去，這些部件裝配的基板以平面為主，少數(shù)曲面裝配的零件，也多半僅限于簡單結(jié)構(gòu)，而且不好改裝。

 對于復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)零件，能不能在曲面基板上安裝，同時實現(xiàn)安裝方便，改裝也方便呢？ 最近，清華大學(xué)張一慧教授團隊提出一種新的組裝策略，解決了這個問題，并將成果發(fā)表在最近一期的Science Advance上 。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm6922 

論文提到，具有工程化三維結(jié)構(gòu)的電子設(shè)備，對于摩擦力傳感、寬視場光學(xué)成像和流速測量是必不可少的。 最近在機械引導(dǎo)裝配方面的進展，通過控制滾動/折疊/彎曲變形，在高性能材料中建立了確定的三維結(jié)構(gòu)路線。然而，所產(chǎn)生的三維結(jié)構(gòu)大多是在平面基底上形成的，不能直接轉(zhuǎn)移到另一個彎曲的基底上。 

本研究介紹了一種有序的組裝策略，可以在不同的彎曲表面上將二維薄膜轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。該策略利用預(yù)定機械負(fù)載，使彎曲的彈性體基底變形為平面/圓柱形結(jié)構(gòu)，然后通過額外的單軸/雙軸預(yù)拉伸來驅(qū)動扣弦引導(dǎo)的組裝。 

通過力學(xué)建模，可以準(zhǔn)確釋放預(yù)定的載荷，實現(xiàn)在曲面上有序組裝復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的零件，本文中實例在彎曲基底上組裝了幾十個這類結(jié)構(gòu)的零件。包括可調(diào)諧偶極子天線、水管內(nèi)的流量傳感器、能夠與心臟共形整合的集成電子系統(tǒng)等。

上圖為復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)在曲面上的有序裝配策略的概念圖。 

(A) 用人臉的三維裝飾面具的形成來說明有序裝配策略。右邊的兩張圖片對應(yīng)的是銀（5米）和PET（75米）雙層中三維結(jié)構(gòu)的有限元分析預(yù)測和光學(xué)圖像。

 (B) 上圖是一個螺旋形基底和螺旋形基底的有限元分析結(jié)果，它可以被扭轉(zhuǎn)和拉伸載荷壓平。底部面板展示了三維葉狀結(jié)構(gòu)在螺旋形基底上的有序組裝過程，以及有限元分析預(yù)測和光學(xué)成像圖。

 (C) 在圓柱形管子的內(nèi)表面組裝三維結(jié)構(gòu)的概念圖，在與二維前驅(qū)體整合之前，基材被斜著裁剪，通過彎曲變形壓平，然后預(yù)拉伸。底部面板展示了圓柱形管內(nèi)分層三維螺旋結(jié)構(gòu)[鋁（2.5米）/PET（30米）]的有序組裝過程，并附有有限元分析預(yù)測和光學(xué)圖像。 

(D) 三維結(jié)構(gòu)在具有莫比烏斯帶形狀的基底上的組裝過程的說明，以及在基底上組裝的蟻狀結(jié)構(gòu)[Al (2.5 m)/PET (30 m)]的有限元分析預(yù)測和光學(xué)圖像。 

上圖為在可被壓平的彎曲表面上組裝的復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。 

其中(A) 為馬蹄形彎曲基底的示意圖，它可以通過單軸拉伸壓平。(B) 說明馬蹄形基板上三維帶狀結(jié)構(gòu)組裝過程的光學(xué)圖像。(C) 在不同程度的雙軸拉伸下，半球形彈性體基底的生成矩陣輪廓的有限元分析和體驗結(jié)果。R0表示初始半球的半徑。(D) 在不同程度的雙軸拉伸下，半球形基體的最大主應(yīng)變輪廓的有限元分析預(yù)測。 

(E) 為通過有限元分析預(yù)測，不同長度的直帶（Lribbon）裝配在半球形基底上的比較。(F) 組裝在半球形基底的凸面和凹面上的各種三維結(jié)構(gòu)的2D幾何圖形、FEA預(yù)測以及實驗圖像。 G到J：裝配在半球形基底上的半橢圓形表面的逆向設(shè)計。(K到N)在半球形基底上不同空間位置組裝的具有相同高度(hi)的小半球形的逆向設(shè)計。(O和P) 組裝在類腦表面的螺旋形微尺度結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和微小的三維斜方體帶狀微尺度結(jié)構(gòu)的光學(xué)圖像。 

上圖為復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)在圓柱/類圓柱形表面的組裝。

 (A) 用作彎曲基底的主動脈模型的示意圖，以及通過壓縮屈曲在該基底上的螺旋和雙螺旋結(jié)構(gòu)的組裝過程。

 (B) 通過拉伸屈曲在圓柱形基底上裝配不同長度的直條帶的過程。

 (C) 各種三維結(jié)構(gòu)組裝在圓柱形基底上的二維幾何圖形、有限元分析預(yù)測和實驗圖像。 

(D)二維前體、有限元分析預(yù)測和通過拉伸屈曲形成的kirigami-inspired鱗片狀三維結(jié)構(gòu)的實驗圖像。

 (E) 有限元分析預(yù)測和實驗圖像表明，在阿基米德螺旋纖維上的kirigami啟發(fā)的尺度結(jié)構(gòu)陣列的有序組裝過程。

 (F至H）在螺旋纖維上的不同空間區(qū)域組裝具有相同高度和間距的螺旋結(jié)構(gòu)的逆向設(shè)計。 

作者團隊

本文通訊作者為張一慧博士，清華大學(xué)航天航空學(xué)院工程力學(xué)系長聘教授。

2011年在清華大學(xué)航天航天學(xué)院工程力學(xué)系獲博士學(xué)位。2011年至2015年在美國西北大學(xué)土木與環(huán)境工程系先后擔(dān)任Postdoctoral Fellow和Research Assistant Professor。2015年加入清華大學(xué)工程力學(xué)系，歷任副教授、長聘副教授、長聘教授。 

主要研究領(lǐng)域為力學(xué)引導(dǎo)的三維微結(jié)構(gòu)組裝，非常規(guī)軟材料，柔性可延展電子器件，智能材料與結(jié)構(gòu)力學(xué) 至今已獲得授權(quán)的中國發(fā)明專利5項、美國發(fā)明專利3項，出版學(xué)術(shù)專著1部，發(fā)表SCI論文150余篇，其中以通訊作者在《Science》、《Nature》、《Nature Materials》、《Nature Electronics》、《Nature Reviews Materials》、《Nature Communications》、《Science Advances》、《PNAS》、《JMPS》、《Advanced Materials》、《ACS Nano》等期刊發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文80余篇。

 兩位共同一作Xue Zhaoguo和Jin Tianqi均來自清華大學(xué)工程力學(xué)系應(yīng)用力學(xué)實驗室。 Xue Zhaoguo主要負(fù)責(zé)概念化，數(shù)據(jù)整理，形式分析，資金獲取，調(diào)查，方法學(xué)，項目管理，資源，軟件，驗證，可視化，論文寫作、審查和編輯。 Jin Tianqi主要負(fù)責(zé)概念化、數(shù)據(jù)管理、形式分析、調(diào)查、方法論、軟件、可視化和論文寫作。