清華航院張一慧課題組在三維仿生軟材料領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

清華新聞網(wǎng)3月5日電 3月4日，清華大學(xué)航院張一慧教授團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊發(fā)表了題為《基于理性仿生設(shè)計(jì)的軟質(zhì)三維網(wǎng)狀材料》（Soft Three Dimensional Network Materials with Rational Bio-mimetic Designs）的研究論文。系統(tǒng)報(bào)道了以三維螺旋微結(jié)構(gòu)為基本單元并通過不同空間拓?fù)渑挪紭?gòu)造出的一類具有缺陷不敏感特性的仿生軟質(zhì)三維網(wǎng)狀材料，這類材料可精確復(fù)現(xiàn)生物組織的各向異性非線性力學(xué)響應(yīng)。

近年來，隨著生物電子器件的迅速發(fā)展，仿生軟質(zhì)材料受到了研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。很多軟質(zhì)生物組織都體現(xiàn)出一種J形的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)行為，這與其微結(jié)構(gòu)由彎曲主導(dǎo)向拉伸主導(dǎo)模式轉(zhuǎn)變的力學(xué)機(jī)制緊密相關(guān)。在此前的工作中，張一慧教授課題組以馬蹄形微結(jié)構(gòu)為基本單元，結(jié)合二維周期性點(diǎn)陣拓?fù)洌O(shè)計(jì)并制備了可以精確匹配人體皮膚應(yīng)力應(yīng)變曲線的軟質(zhì)二維仿生材料。但受限于馬蹄形微結(jié)構(gòu)的二維拓展性、復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的制備工藝等難題，仿生軟質(zhì)三維材料的研究一直具有很大的挑戰(zhàn)性。

生物體中的許多膠原組織具有螺旋形的三維微結(jié)構(gòu)，而這些螺旋形的三維微觀結(jié)構(gòu)與生物組織的J形應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)密切相關(guān)。受到這種生物組織螺旋形微結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，張一慧教授課題組提出了一類以螺旋微結(jié)構(gòu)為基本構(gòu)元的軟質(zhì)三維網(wǎng)狀材料仿生設(shè)計(jì)方法。圖1展示了基于不同晶格拓?fù)洌⒎襟w、八面體和八隅體）形成的仿生軟質(zhì)三維網(wǎng)狀材料的示意圖和實(shí)物圖，以及螺旋微結(jié)構(gòu)的示意圖。這里的螺旋微結(jié)構(gòu)在兩端進(jìn)行了巧妙的幾何設(shè)計(jì)，既保證了螺旋中心線的一階連續(xù)性，又避免了多個(gè)微結(jié)構(gòu)交匯時(shí)在節(jié)點(diǎn)附近的相互嵌入。

圖1：軟質(zhì)三維網(wǎng)狀材料的設(shè)計(jì)與制備。a圖為具有不同點(diǎn)陣拓?fù)洌⒎襟w、八面體和八隅體）的軟質(zhì)三維網(wǎng)狀材料的示意圖，b圖是通過3D打印技術(shù)制備的實(shí)物模型，c圖展示了三維螺旋微結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)型。比例尺為5 mm。

在該論文中，張一慧教授課題組首先闡述了結(jié)合三維螺旋微結(jié)構(gòu)和空間點(diǎn)陣拓?fù)涞姆律O(shè)計(jì)概念，研究了不同點(diǎn)陣拓?fù)洹⒉煌臻g方向、不同缺陷密度的軟質(zhì)三維網(wǎng)狀材料的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，通過深入的參數(shù)化分析揭示了這類材料宏觀性能與微結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)型之間的定量聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)通過微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料J形應(yīng)力應(yīng)變曲線的大范圍調(diào)控。基于這種仿生設(shè)計(jì)方法，制備出可復(fù)現(xiàn)真實(shí)生物組織各向異性力學(xué)響應(yīng)的軟質(zhì)三維網(wǎng)狀材料（圖2）和仿生柔性傳感器（圖3）。該成果在軟體機(jī)器人、生物集成電子器件、組織工程等相關(guān)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

 
圖2：可復(fù)現(xiàn)生物組織力學(xué)性能的軟質(zhì)三維網(wǎng)狀材料。圖a為復(fù)現(xiàn)人類心肌組織應(yīng)力應(yīng)變曲線的三維網(wǎng)狀材料設(shè)計(jì)及模型，圖b為復(fù)現(xiàn)成年小鼠右心室心肌組織的各向異性應(yīng)力應(yīng)變曲線的三維網(wǎng)狀材料設(shè)計(jì)及模型。比例尺為5 mm。

圖3：基于仿生軟質(zhì)三維網(wǎng)狀材料的柔性傳感器。圖a為軟質(zhì)三維網(wǎng)狀材料在磁控濺射前后的對(duì)比圖，圖b為柔性傳感器壓縮變形時(shí)的電阻變化率變化曲線以及變形過程圖，圖c為柔性傳感器拉伸變形時(shí)的電阻變化率變化曲線以及變形過程圖。比例尺為5 mm。

清華大學(xué)航院張一慧教授為本論文通訊作者。清華大學(xué)航院博士后閻東佳和博士生常嘉輝為本文的第一作者。清華大學(xué)航院博士生張航和劉建星，以及博士后宋洪烈、薛兆國和張帆參與了此項(xiàng)研究。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃和清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室的支持。

論文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-14996-5

供稿：航   院

編輯：李華山

審核：呂   婷