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2023年3月24日，清华大学张一慧团队在Science 在线发表题为“Programming 3D curved mesosurfaces using microlattice designs”的研究论文，该研究报道了一种使用微晶格精确设计3D多孔曲面的方法。

该研究报告了一种合理的微晶格设计，允许通过机械引导组装将2D薄膜转换为可编程的3D曲面。分析建模和基于机器学习的计算方法作为形状编程的基础，并确定目标3D曲面所需的异构2D微晶格模式。总之，该研究提出了大约30种几何形状，包括规则介孔表面和生物介孔表面。演示包括一个顺应的心脏电子设备，一个类似黄貂鱼的双模驱动器和一个3D电子细胞支架。

三维（3D）细胞微结构在生物体中无处不在，它们在3D形状形成、营养物质的合成和运输以及生长和繁殖的调节中发挥着多种不可替代的作用。例如卷心菜叶片中错综复杂的维管网络在低温下会局部收缩并单侧增厚，形成多层球形;在Stephanopyxis turris硅藻的细胞壁上遍布六角形腔室的蜂窝状细胞微结构增强了其光合作用的效率。由于细胞结构的高表面积、大孔体积和优异的机械和热性能，细胞设计已被用于材料和功能系统的开发。如具有分层血管化网络的人工组织和器官，能够提供氧气和营养物质；能够阻挡、吸收、增强或弯曲电磁波的电磁超材料以及用于水分解和氧还原反应的金属有机框架等。

受到细胞生物表面的启发，作者设计了一种新型晶格设计策略，是实现二维微薄膜所需刚度分布的有效途径，从而允许它们通过机械引导组装转化为可编程的3D介孔表面。作者建立了一个分析模型和基于机器学习的计算方法，用于从具有优化孔隙率和细胞大小分布的2D微晶格模式逆向设计目标3D介孔表面。尽管2D-3D组装的逆设计方法已被报道用于依赖于薄膜空间刚度控制的策略，使用厚度工程、具有可编程应变分布的软活性材料或kirigami和折纸镶嵌中几何形状和单位细胞旋转的约束优化，但适用材料和长度尺度的限制阻碍了它们在3D微电子器件中的应用。

基于生物启发微晶格设计的三维介孔表面应用（图源自Science ）

该研究提出的生物启发微晶格设计策略和逆设计方法允许将2D薄膜合理组装成所需的具有不同几何形状的3D介面，从规则表面到高度复杂的表面。原则上，微晶格设计适用于广泛的材料，包括但不限于该工作中展示的材料。与之前的局部刚度控制策略相比，所提出的微晶格设计在可实现的几何形状、适用的材料和组装的3D表面的长度尺度方面取得了根本性的进步。三维心脏电子设备、仿生双模驱动器和三维电子细胞支架的演示表明，在生物电子学、微机电系统和微型机器人领域有广阔的应用前景。此外，微晶格策略可用于设计光学器件，如具有角度依赖反射率的光学超表面。

论文信息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf3824