力學百變“藝術家”

徐芳芳

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

美國佐治亞理工大學V.V.Tsukruk教授在Science同期出版的Perspectives專欄中認為，該工作“展示了一種新典范，它通過設計局部屈曲誘導功能材料迅速彈出成型復雜三維結構。”而屈曲引導的微尺度三維結構組裝，正是張一慧的研究興趣之一。

“屈曲力學”與“剪紙藝術”的完美結合

2015年，作為“青年千人”的張一慧回到母校清華大學工作，獨立開展研究。他和合作者開創了一個新的方向——屈曲力學引導的微尺度三維結構制備方法。

何為屈曲力學？

張一慧介紹說，屈曲力學是一個比較基礎的研究方向，開展至今已有幾百年的歷史。結構喪失穩定性稱作（結構）屈曲，即當載荷達到某一臨界值時，結構構形將突然跳到另一個隨遇的平衡狀態。

早期的屈曲研究主要是為避免屈曲的發生，而最近十多年來，科學家們發現自然界生物體里存在很多新奇的屈曲現象。原來屈曲并不完全都是壞事，關鍵在于我們怎樣去利用它。而張一慧現在的研究方向之一，就是利用屈曲力學現象，把它應用在新的領域。

三維微納米結構在生物醫學器件、微機電系統、光電子器件等眾多科技領域具有重要而廣泛的應用，一直以來都是科技研究的焦點。然而現有的三維微納米結構的制備及組裝方法卻較為局限，尤其是缺乏高性能半導體材料的復雜三維結構成型方法。

張一慧與合作者提出將可控力學屈曲應用于微納米三維結構組裝，并引入剪紙設計概念，原創出一套可適用于各種高性能材料的三維微結構組裝方法，制備出幾百種現有方法無法實現的微納米三維單晶硅結構，這為先進微納米系統的制備提供了一種重要的新途徑。

該方法不僅適用于半導體、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、成型過程可控性強等優勢。

剪紙剪完之后會變得更加柔性，會有更大的伸縮空間和變形空間，這就可以釋放應力集中，避免失效，保護結構。而把剪紙思想和屈曲成型方法結合到一起，用在微小三維結構的成型上，這在國際上尚屬首次。

這些成果在2015年以清華大學為作者單位發表在Science、PNAS等國際刊物上，發表于Science的工作還被選為當期的封面文章。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。”

屈曲引導的微納米三維結構組裝方法，不僅提供了一種新穎的制備微小三維結構的方法，而且這種方法可以作為一種平臺，根據不同領域的需求做成一些電子器件、生醫器件、能源器件、或者光學器件等。利用這一新方法實現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行的相關應用方面的研究。

“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，張一慧在合作導師美國西北大學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的可延展力電一體化設計與創新集成方法。張一慧說：“我們的目的就是，希望發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療手段，這是將來希望實現推廣的一個目標。”

過去，如果生病了，只能根據病情去判斷治療，而未來的醫療模式將發生轉變。美國正逐漸從這個醫療模式轉變成疾病預防與管理，在疾病發生之前，就能獲取諸多相關信息，從而避免疾病的發生，但這怎樣才能實現呢？

傳統醫療監測設備較為堅硬笨重，難以貼合人體的復雜曲面，因而無法與皮膚有效集成。想隨時隨地穿戴幾乎是不可能的，因此不能滿足人體生理信號的戶外長時測試的需求。

張一慧和合作者提出采用電路系統的分形導線設計、微流體封裝設計理念以及仿生皮膚設計新途徑，建立了功能器件電路系統的力電一體化設計和分析方法，將其力學性能（彈性模量和延展率）改善兩個甚至多個數量級。基于這些概念，實現了首個可長時監測皮膚溫度、加速度和電生理信號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相匹配的人造皮膚。

這些力學設計理念具有普適意義，為可穿戴電子器件的發展和應用提供了堅實鋪墊。這些成果已分別在2014年和2015年發表于Science、NatureCommunications等國際刊物。發表于Science的工作還被雜志網站選為當期焦點，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促進會中文版科學新聞平臺的采訪。

據張一慧介紹：“現在做的器件非常柔軟，可以貼在身上，甚至洗澡也不會被沖掉，24小時隨時隨地穿戴。可無線傳輸，實時傳到電腦上，需要時便可查看。”而該方向的最終目標是：“將來希望它可以全方位地應用在醫療的各個領域”。

交叉學科研究的“未來”

人體皮膚是可以拉伸和褶皺的，心臟是不停膨脹運動的。用傳統的剛硬器件可能會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。到底什么樣的結構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構有很大的拉伸空間，但做微器件則需要做一個很小尺寸的螺旋，而現有的方法很難將高性能材料做成微小尺寸的螺旋。后來，他就利用自己力學專業的方法，又與屈曲的研究背景相結合，終于成功形成了一種新的三維微組裝方法。

“現在的科學領域面臨的很多問題，具有很大的綜合性和復雜性。通常很多問題不是一個學科領域能很好解決或解釋得透徹的。所以，這為進行交叉學科的研究提供了一個機遇。”張一慧說。

對于微尺度三維結構組裝領域而言，一個重要挑戰是發展一種新方法來填補先前方法的不足，上述屈曲力學引導的方法就涉及固體力學的研究領域。而有了方法之后，還需要機械和材料科學領域的技術和方法，用來實現一些毫米尺寸或小到幾微米的三維結構的制備。而要想做成三維器件或產品，又有可能涉及到電子工程和光學領域。張一慧認為，只有不同學科貢獻自己的力量，才能使科研成果更加發光發亮，“將來還有很多有價值的東西，需要不同學科的交流和合作”。

“在不同科學研究過程中，我們嘗試一些前人沒有走過的路，這其中會有一些困難，遇到困難時貴在堅持。”張一慧回國不到一年，總是“早出晚歸”，但家人的理解和支持，單位和國家的資助，讓他不言放棄。

張一慧現在的研究主要聚焦在屈曲引導的微尺度三維結構組裝和仿生軟物質兩個方向。他希望，在基礎研究領域能做出更新穎的工作，使新發展的方向更系統，最終走向實用。endprint