江南官方体育appNSR： 生物启发的三维柔性器件与功能系统

　　柔性器件与功能系统的一个重要发展方向是将传统的平面物理架构转化为具有精细且复杂的空间拓扑构型的三维架构，这使其能够通过优化设计三维结构与功能材料实现更多的设计自由度、更优异的机械/电学性能，乃至新颖的功能，进而应用于智能感知、人机交互、能量收集、光电探测、柔性驱动和生物医疗等广泛场景中。

　　近年来，在多个领域实际需求的推动下，三维柔性器件与功能系统在三个主要方向上快速发展：（1）柔性器件的微型化（即器件特征尺寸从毫米尺度缩小到微米尺度和纳米尺度）；（2）物理智能（如高灵敏多通道感知、复合运动模式和自愈合能力）与嵌入式人工智能（如自主学习、判断与决策能力）水平的显著提高；（3）异质集成水平与复杂环境适应能力的显著提高（尤其是三维电子界面与生物组织/器官的无缝融合）。

　　在这些重要方向上的探索工作同样面临着诸多棘手的科学与技术挑战。例如，受微纳尺度上范德华力与毛细力引起的强粘附作用影响，实现数十微米体长三维软体机器人的自主可控运动非常困难。虽然多物理信号的同步感知（如压力、应变、振动与温度等）是皮肤的固有能力，但因受到探测能力与多通道信号耦合等多方面限制，将这种生物特性赋予人造三维传感器件极具挑战性。此外，柔性器件与动态变化的细胞/组织/器官（尤其是分别处于身体快速发育与衰老期的婴儿与老人）的三维集成仍存在关键技术挑战，传统工程材料/结构与生物材料/结构之间的刚度/几何等多方面的不匹配可能导致刚性的机械约束、损伤性的剥离或穿透。

　　近日，清华大学航院、柔性电子技术实验室张一慧教授团队在National Science Review上发表题为“Bioinspired 3D flexible devices and functional systems”的综述文章。该工作系统总结了三维柔性器件与功能系统的仿生设计概念、结构-功能关联原理、代表性制备方法及其在智能感知、能量收集、光电探测、柔性驱动和生物医疗等多个前沿领域的应用。该工作深入讨论了该类器件设计、制备与应用方面的关键挑战，潜在的解决方案与研究机遇，为实现具有精确定制的几何构型、增强的机械/电学性能和融合式物理/人工智能的仿生三维器件与功能系统提供有益的启发。

　　凭借多样的、精巧的和长期优化的生理机制、生物材料、生物结构与运动模式，自然生物为科学家和工程师提供了重要的灵感源泉。在此背景下，三维柔性器件与功能系统的发展同样可以从自然生物中汲取灵感，从而为诸多关键挑战提供巧妙的解决方案。一般而言，三维仿生柔性器件的设计与制备主要涉及三个关键环节，分别是仿生设计概念的探索、先进三维制备方法与实验技术的开发以及面向实用场景与需求的应用（图1）。具体来说，阐明目标生物（如动物、植物与微生物等）的微观结构构造与结构-功能关联原理至关重要，其通常涉及多学科的表征方法（如形态观察、生物解剖、显微表征与力学测试等）。进一步的，需要选择或开发匹配的三维制备方法与技术用以实现三维柔性器件与功能系统。近年来在仿生器件的三维制备方法方面取得了显著进展，包括直接三维制备方法（如三维打印技术、激光剥蚀技术和三维模板技术等）和三维组装方法（如基于智能材料的三维组装方法和力学引导的三维屈曲组装方法等）。最后，三维仿生柔性器件与系统（如三维传感器件、能量收集器件、光电器件、软体机器人和生物医学器件等）的设计应立足于实用需求，聚焦于不同领域“杀手级”器件应用的开发与推广。

　　该工作系统总结了三维柔性器件与功能系统的仿生设计概念、结构-功能关联原理、代表性三维制备方法及其在智能感知、能量收集、光电探测、柔性驱动和生物医疗等多个前沿领域的应用。该工作深入讨论了该类器件设计、制备与应用方面的关键挑战，潜在的解决方案与研究机遇，能够为实现具有精确定制几何构型、增强机械/电学性能和融合式物理/人工智能的仿生三维器件与功能系统提供有益的启发。

　　自然生物无与伦比的多样性为三维仿生柔性器件与功能系统的设计与制备提供了无尽的灵感源泉。本工作首先对自然生物的典型物理特征进行了定量总结，包括特征尺寸、表面形貌（图2）、材料模量（图3）与运动速度（图4）。

　　具体来说，三维多层级结构在生物体中广泛存在，且其复杂度随着特征尺寸的增加而显著增加，例如遵循生物大分子-细胞器-细胞-组织-器官-系统的多层级构造规律的结构（图2）。生物结构的生理功能通常与其特征尺寸以及特定的三维几何构型密切相关，这也是在设计仿生三维器件与功能系统中需要考虑的两个关键变量。另外，具有多尺度和多层级特征的生物结构表面形貌对于疏水性、亲水性、可逆粘附、减阻、水分富集、结构光等多种生物功能至关重要，这也为三维柔性传感器件、能量收集器件和光电器件等提供了宝贵的启发。

　　本工作对比了生物组织与柔性电子器件常用工程材料的杨氏模量，充分展示了二者显著的软硬不匹配特征（图3）。针对这一问题，近年来所探索的解决方案包括：（1）建立基于传统工程材料与微结构构元的柔性化设计策略（如剪纸结构、折纸结构、分形结构和三维屈曲结构）；（2）开发兼具导体/半导体性能和柔软可拉伸性能的新型软材料合成方法；以及（3）针对天然生物材料的改性处理技术。值得一提的是，蛋白质基生物材料（如胶原蛋白、明胶和纤维蛋白等）和多糖基生物材料（如纤维素、壳聚糖和海藻酸盐等）具有极佳的生物相容性，能够有效减弱与细胞/组织接触时的排异反应，这对于生物医学设备尤为重要。

　　适应于不同的生存环境，动物演变出了各种不同的解剖结构和运动模式,例如人类、硬骨鱼类和鸟类分别依赖腿、鳍和翅膀实现陆地奔跑、水中游泳和空中飞行。本工作总结了典型哺乳动物和节肢动物的相对运动速度，清晰地显示了二者运动速度的分布范围与运动能力的显著差异（图4）。不同动物的运动模式能够为三维仿生软体机器人、低侵入度的微创手术和体内药物递送提供生物学范例。此外，探索自然生物的其他物理特征，并将其应用于人造材料、结构与功能系统中同样具有非凡意义。例如，许多生物体内普遍存在具有高孔隙率的三维多孔微结构，这赋予了这些生物低密度和轻质高强特性。同时，仿生多孔设计能够应用于开发具有高灵活度的三维微型飞行器和高灵敏性的三维传感器。

　　由于自然生物的多样且复杂的物理特征（包括大跨度的特征尺寸、高复杂度的结构几何拓扑、具有多层级特征的表面形貌、具有极低模量的生物软材料以及独特的变形/运动模式），将生物功能引入人造系统是一项极具挑战性的任务。基于先进微纳加工技术和先进功能材料的三维制备方法为仿生设计与三维柔性器件与功能系统提供了关键的桥梁与纽带。仿生三维器件的制备方法可以分为两大类，分别是直接三维制备方法和三维组装方法。

　　该工作以图表的形式详细总结了代表性的三维制备方法、涉及的典型工艺、适用的材料种类、主要优势、关键局限与典型应用。概括来讲，三维打印、激光剥蚀和三维模板是三种典型的直接三维制备方法，其中三维仿生结构的实现不涉及任何二维前驱体。例如，基于成熟的三维打印技术（如DIW、FDM、DLP、TPL、LAPμSL和CLIP等），可以以自下而上的形式直接构建具有任意几何形状和广泛特征尺寸的三维仿生结构，但其会受到打印材料种类的限制（例如单晶硅等无机半导体材料的直接三维打印难以实现）。三维组装方法代表了三维仿生柔性器件与功能系统的另一种重要制备路径，其涉及二维前驱体结构的预先制备及后续的三维组装过程。智能软材料能够在特定环境刺激下自主可控变形，从而为仿生结构的三维组装提供适当的驱动力。

　　基于不同的驱动与变形机制，科学家们已经开发出多种主动驱动材料与方法，包括可溶胀材料（如水凝胶和含水凝胶填料的复合材料）、热致变形的相变材料(如形状记忆聚合物/合金和液晶弹性体等)、含有光热纳米颗粒（如石墨烯、碳纳米管和金纳米颗粒等）或光活性基团（如偶氮苯等）的光敏材料和基于铁磁颗粒或柔性导线的电磁驱动方法。最近发展的力学引导的三维屈曲组装方法则为三维仿生柔性器件与功能系统的制备提供了一种全新的解决方案，其利用面内压缩或拉伸驱动的二维前驱体结构屈曲变形实现精确可控的三维组装，适用于几乎任何材料种类（如无机半导体、金属、聚合物、压电材料和各种异质材料等），具有非常广泛的结构尺度范围（从亚微米到米）和极其丰富的三维几何拓扑构型，并且能够与现代平面微加工工艺完美兼容。

　　对周围环境即时且敏锐的感知是多数自然生物的基本能力之一。通过将独特的仿生结构和结构-功能关联原理引入到三维仿生柔性传感器件的设计中，有望实现优异的传感性能（如高灵敏、大量程和多通道感知等）。根据具体的应用场景，三维仿生柔性传感器件可以采用不同的传感机制实现压力、应变等物理量的测量，包括压阻效应、压电效应、铁电效应、电磁效应、电容效应和摩擦电效应等。

　　本工作首先根据仿生结构类型将三维仿生传感器件分为四大类，分别是基于三维缠绕微纤维、三维曲面微裂纹、三维多层级微图案和三维多孔微结构的仿生柔性传感器件（图5）。通过介绍每一类别中典型传感器件的仿生设计原理与传感性能，突出了其所蕴含的独特的结构-功能关联原理。进一步的，本工作采用表格的形式总结了近年来典型的三维仿生柔性传感器件的重要进展，包括其感知机制、仿生结构、功能材料、灵敏度、测量范围和循环测试的鲁棒性。

　　图5. 生物启发的三维传感器件，包括基于三维缠绕微纤维的传感器件（A ~ C）、基于三维曲面微裂纹的传感器件（D ~ F）、基于三维多层级微图案的传感器件（G ~ I）和基于三维多孔微结构的传感器件（J ~ L）

　　在自然系统中，许多植物表现出趋光性，并能够通过叶绿素高效地将光能转化为生物能。例如，硅藻可以通过其三维二氧化硅多孔外壳来捕获阳光，从而提高光合作用效率。近年。