力學(xué)百變“藝術(shù)家”

徐芳芳

2015年1月，一篇作為Science封面的文章發(fā)表后，很快被Science，Nature分別在Perspectives和Research Highlights專欄中評述報(bào)道，并入選ESI高被引論文。而發(fā)表這篇文章的作者就是清華大學(xué)航天航空學(xué)院工程力學(xué)系副教授張一慧與其合作者。

美國佐治亞理工大學(xué)V.V.Tsukruk教授在Science同期出版的Perspectives專欄中認(rèn)為，該工作“展示了一種新典范，它通過設(shè)計(jì)局部屈曲誘導(dǎo)功能材料迅速彈出成型復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)?！倍龑?dǎo)的微尺度三維結(jié)構(gòu)組裝，正是張一慧的研究興趣之一。

“屈曲力學(xué)”與“剪紙藝術(shù)”的完美結(jié)合

2015年，作為“青年千人”的張一慧回到母校清華大學(xué)工作，獨(dú)立開展研究。他和合作者開創(chuàng)了一個(gè)新的方向——屈曲力學(xué)引導(dǎo)的微尺度三維結(jié)構(gòu)制備方法。

何為屈曲力學(xué)？

張一慧介紹說，屈曲力學(xué)是一個(gè)比較基礎(chǔ)的研究方向，開展至今已有幾百年的歷史。結(jié)構(gòu)喪失穩(wěn)定性稱作（結(jié)構(gòu)）屈曲，即當(dāng)載荷達(dá)到某一臨界值時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)形將突然跳到另一個(gè)隨遇的平衡狀態(tài)。

早期的屈曲研究主要是為避免屈曲的發(fā)生，而最近十多年來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)自然界生物體里存在很多新奇的屈曲現(xiàn)象。原來屈曲并不完全都是壞事，關(guān)鍵在于我們怎樣去利用它。而張一慧現(xiàn)在的研究方向之一，就是利用屈曲力學(xué)現(xiàn)象，把它應(yīng)用在新的領(lǐng)域。

三維微納米結(jié)構(gòu)在生物醫(yī)學(xué)器件、微機(jī)電系統(tǒng)、光電子器件等眾多科技領(lǐng)域具有重要而廣泛的應(yīng)用，一直以來都是科技研究的焦點(diǎn)。然而現(xiàn)有的三維微納米結(jié)構(gòu)的制備及組裝方法卻較為局限，尤其是缺乏高性能半導(dǎo)體材料的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)成型方法。

張一慧與合作者提出將可控力學(xué)屈曲應(yīng)用于微納米三維結(jié)構(gòu)組裝，并引入剪紙?jiān)O(shè)計(jì)概念，原創(chuàng)出一套可適用于各種高性能材料的三維微結(jié)構(gòu)組裝方法，制備出幾百種現(xiàn)有方法無法實(shí)現(xiàn)的微納米三維單晶硅結(jié)構(gòu)，這為先進(jìn)微納米系統(tǒng)的制備提供了一種重要的新途徑。

該方法不僅適用于半導(dǎo)體、金屬、聚合物、塑料等各種材料類型，而且適用于不同特征尺度下的材料組裝，例如從100納米到30毫米。與3D打印技術(shù)相比，該方法具有適用材料范圍廣、成型速度快、成型過程可控性強(qiáng)等優(yōu)勢。

剪紙剪完之后會(huì)變得更加柔性，會(huì)有更大的伸縮空間和變形空間，這就可以釋放應(yīng)力集中，避免失效，保護(hù)結(jié)構(gòu)。而把剪紙思想和屈曲成型方法結(jié)合到一起，用在微小三維結(jié)構(gòu)的成型上，這在國際上尚屬首次。

這些成果在2015年以清華大學(xué)為作者單位發(fā)表在Science、PNAS等國際刊物上，發(fā)表于Science的工作還被選為當(dāng)期的封面文章。張一慧說：“Science-年才有51期，能被選為封面文章，相對還是比較難的?！?/p>

屈曲引導(dǎo)的微納米三維結(jié)構(gòu)組裝方法，不僅提供了一種新穎的制備微小三維結(jié)構(gòu)的方法，而且這種方法可以作為一種平臺(tái)，根據(jù)不同領(lǐng)域的需求做成一些電子器件、生醫(yī)器件、能源器件、或者光學(xué)器件等。利用這一新方法實(shí)現(xiàn)一些具有新穎功能的三維器件，這也是張一慧和課題組以及合作者正在進(jìn)行的相關(guān)應(yīng)用方面的研究。

“可穿戴皮膚電子器件”指日可待

把電池做得非常柔軟，拉扯不壞——這是張一慧前期在美國的工作。

2011年到2014年博士后期間，張一慧在合作導(dǎo)師美國西北大學(xué)黃永剛教授的課題組中從事柔性可延展電子器件研究。期間，他的另一重要研究成果就是，建立可穿戴皮膚電子器件系統(tǒng)的可延展力電一體化設(shè)計(jì)與創(chuàng)新集成方法。張一慧說：“我們的目的就是，希望發(fā)展出來的電子器件可以有效的和人體、生物體貼合，從而提供一種全新的健康醫(yī)療手段，這是將來希望實(shí)現(xiàn)推廣的一個(gè)目標(biāo)?！?/p>

過去，如果生病了，只能根據(jù)病情去判斷治療，而未來的醫(yī)療模式將發(fā)生轉(zhuǎn)變。美國正逐漸從這個(gè)醫(yī)療模式轉(zhuǎn)變成疾病預(yù)防與管理，在疾病發(fā)生之前，就能獲取諸多相關(guān)信息，從而避免疾病的發(fā)生，但這怎樣才能實(shí)現(xiàn)呢？

傳統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備較為堅(jiān)硬笨重，難以貼合人體的復(fù)雜曲面，因而無法與皮膚有效集成。想隨時(shí)隨地穿戴幾乎是不可能的，因此不能滿足人體生理信號(hào)的戶外長時(shí)測試的需求。

張一慧和合作者提出采用電路系統(tǒng)的分形導(dǎo)線設(shè)計(jì)、微流體封裝設(shè)計(jì)理念以及仿生皮膚設(shè)計(jì)新途徑，建立了功能器件電路系統(tǒng)的力電一體化設(shè)計(jì)和分析方法，將其力學(xué)性能（彈性模量和延展率）改善兩個(gè)甚至多個(gè)數(shù)量級?；谶@些概念，實(shí)現(xiàn)了首個(gè)可長時(shí)監(jiān)測皮膚溫度、加速度和電生理信號(hào)的無線可穿戴多功能器件，以及可與人體不同部位表皮性質(zhì)相匹配的人造皮膚。

這些力學(xué)設(shè)計(jì)理念具有普適意義，為可穿戴電子器件的發(fā)展和應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)鋪墊。這些成果已分別在2014年和2015年發(fā)表于Science、NatureCommunications等國際刊物。發(fā)表于Science的工作還被雜志網(wǎng)站選為當(dāng)期焦點(diǎn)，并入選ESI高被引論文。由于該工作的重要影響，張一慧還受到美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)中文版科學(xué)新聞平臺(tái)的采訪。

據(jù)張一慧介紹：“現(xiàn)在做的器件非常柔軟，可以貼在身上，甚至洗澡也不會(huì)被沖掉，24小時(shí)隨時(shí)隨地穿戴?？蔁o線傳輸，實(shí)時(shí)傳到電腦上，需要時(shí)便可查看?！倍摲较虻淖罱K目標(biāo)是：“將來希望它可以全方位地應(yīng)用在醫(yī)療的各個(gè)領(lǐng)域”。

交叉學(xué)科研究的“未來”

人體皮膚是可以拉伸和褶皺的，心臟是不停膨脹運(yùn)動(dòng)的。用傳統(tǒng)的剛硬器件可能會(huì)破壞這些組織和器官，那么只有把器件做成可以匹配的形式才能避免。到底什么樣的結(jié)構(gòu)形式可以很大尺度拉伸呢？

剛開展博士后研究不久，張一慧想到了三維的螺旋結(jié)構(gòu)有很大的拉伸空間，但做微器件則需要做一個(gè)很小尺寸的螺旋，而現(xiàn)有的方法很難將高性能材料做成微小尺寸的螺旋。后來，他就利用自己力學(xué)專業(yè)的方法，又與屈曲的研究背景相結(jié)合，終于成功形成了一種新的三維微組裝方法。

“現(xiàn)在的科學(xué)領(lǐng)域面臨的很多問題，具有很大的綜合性和復(fù)雜性。通常很多問題不是一個(gè)學(xué)科領(lǐng)域能很好解決或解釋得透徹的。所以，這為進(jìn)行交叉學(xué)科的研究提供了一個(gè)機(jī)遇。”張一慧說。

對于微尺度三維結(jié)構(gòu)組裝領(lǐng)域而言，一個(gè)重要挑戰(zhàn)是發(fā)展一種新方法來填補(bǔ)先前方法的不足，上述屈曲力學(xué)引導(dǎo)的方法就涉及固體力學(xué)的研究領(lǐng)域。而有了方法之后，還需要機(jī)械和材料科學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)和方法，用來實(shí)現(xiàn)一些毫米尺寸或小到幾微米的三維結(jié)構(gòu)的制備。而要想做成三維器件或產(chǎn)品，又有可能涉及到電子工程和光學(xué)領(lǐng)域。張一慧認(rèn)為，只有不同學(xué)科貢獻(xiàn)自己的力量，才能使科研成果更加發(fā)光發(fā)亮，“將來還有很多有價(jià)值的東西，需要不同學(xué)科的交流和合作”。

“在不同科學(xué)研究過程中，我們嘗試一些前人沒有走過的路，這其中會(huì)有一些困難，遇到困難時(shí)貴在堅(jiān)持?！睆堃换刍貒坏揭荒辏偸恰霸绯鐾須w”，但家人的理解和支持，單位和國家的資助，讓他不言放棄。

張一慧現(xiàn)在的研究主要聚焦在屈曲引導(dǎo)的微尺度三維結(jié)構(gòu)組裝和仿生軟物質(zhì)兩個(gè)方向。他希望，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域能做出更新穎的工作，使新發(fā)展的方向更系統(tǒng)，最終走向?qū)嵱?。endprint