清华新闻网3月5日电 3月4日，清华大学航院张一慧教授团队在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊发表了题为《基于理性仿生设计的软质三维网状材料》（Soft Three Dimensional Network Materials with Rational Bio-mimetic Designs）的研究论文。系统报道了以三维螺旋微结构为基本单元并通过不同空间拓扑排布构造出的一类具有缺陷不敏感特性的仿生软质三维网状材料，这类材料可精确复现生物组织的各向异性非线性力学响应。
近年来，随着生物电子器件的迅速发展，仿生软质材料受到了研究学者的广泛关注。很多软质生物组织都体现出一种J形的应力应变响应行为，这与其微结构由弯曲主导向拉伸主导模式转变的力学机制紧密相关。在此前的工作中，张一慧教授课题组以马蹄形微结构为基本单元，结合二维周期性点阵拓扑，设计并制备了可以精确匹配人体皮肤应力应变曲线的软质二维仿生材料。但受限于马蹄形微结构的二维拓展性、复杂三维微结构的制备工艺等难题，仿生软质三维材料的研究一直具有很大的挑战性。
生物体中的许多胶原组织具有螺旋形的三维微结构，而这些螺旋形的三维微观结构与生物组织的J形应力应变响应密切相关。受到这种生物组织螺旋形微结构的启发，张一慧教授课题组提出了一类以螺旋微结构为基本构元的软质三维网状材料仿生设计方法。图1展示了基于不同晶格拓扑（立方体、八面体和八隅体）形成的仿生软质三维网状材料的示意图和实物图，以及螺旋微结构的示意图。这里的螺旋微结构在两端进行了巧妙的几何设计，既保证了螺旋中心线的一阶连续性，又避免了多个微结构交汇时在节点附近的相互嵌入。
图1：软质三维网状材料的设计与制备。a图为具有不同点阵拓扑（立方体、八面体和八隅体）的软质三维网状材料的示意图，b图是通过3D打印技术制备的实物模型，c图展示了三维螺旋微结构的几何构型。比例尺为5 mm。
在该论文中，张一慧教授课题组首先阐述了结合三维螺旋微结构和空间点阵拓扑的仿生设计概念，研究了不同点阵拓扑、不同空间方向、不同缺陷密度的软质三维网状材料的应力应变响应，通过深入的参数化分析揭示了这类材料宏观性能与微结构几何构型之间的定量联系，发现通过微结构几何参数的优化设计可实现对材料J形应力应变曲线的大范围调控。基于这种仿生设计方法，制备出可复现真实生物组织各向异性力学响应的软质三维网状材料（图2）和仿生柔性传感器（图3）。该成果在软体机器人、生物集成电子器件、组织工程等相关领域有着广泛的应用前景。
图2：可复现生物组织力学性能的软质三维网状材料。图a为复现人类心肌组织应力应变曲线的三维网状材料设计及模型，图b为复现成年小鼠右心室心肌组织的各向异性应力应变曲线的三维网状材料设计及模型。比例尺为5 mm。
图3：基于仿生软质三维网状材料的柔性传感器。图a为软质三维网状材料在磁控溅射前后的对比图，图b为柔性传感器压缩变形时的电阻变化率变化曲线以及变形过程图，图c为柔性传感器拉伸变形时的电阻变化率变化曲线以及变形过程图。比例尺为5 mm。
清华大学航院张一慧教授为本论文通讯作者。清华大学航院博士后阎东佳和博士生常嘉辉为本文的第一作者。清华大学航院博士生张航和刘建星，以及博士后宋洪烈、薛兆国和张帆参与了此项研究。该研究工作得到了国家自然科学基金项目、清华大学自主科研计划和清华信息科学与技术国家实验室的支持。
论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14996-5
供稿：航 院