北卡教堂山分校白武斌教授团队《Sci.Adv.》:微折叠三维可变形系统，用于传感/机器人和微天线应用

美国北卡罗来纳大学教堂山分校白武斌教授团队在《Science Advances》发文，报告了一种微折叠三维结构的策略，该策略能够形成与各种功能材料集成的三维可变形微电子系统。通过微折叠策略可以实现三维微电子系统的过渡状态，提供了复合材料多功能性的有效设计思路。该可变形微电子系统，可用于包括可重构微天线、振动监测的传感器和心电绘图的机器人，展示了该方案在潜在功能应用方面的广泛前景。

DNA 和蛋白质在三维 (3D) 中折叠以实现维持生命的功能。模拟这种功能材料的折叠方案可以释放巨大的潜力，尤其是在机器人、医学和电信领域。传统的3D微纳米结构策略，包括离子束光刻、逐层生长、多光子光刻、基于印刷先进制造和全息光刻，可设计高精度的3D结构，但是通常仅限于使某些高性能材料，例如单晶硅纳米膜具有结构可变形性。可变形3D结构的开发可以丰富现有形式的柔性电子设备开发，这仍然是未来设备功能和应用的研究挑战。此外，结合一些现有方案中的折纸和剪纸设计概念，通过折叠的多维自由度，在3D中形成各种可变形结构具有较大的前景。

图 1. 单晶硅3D微结构的折叠组装策略。

在这里，研究团队提出了一种设计策略，可在微尺度上实现折纸，以建立可变形的3D微电子系统。该系统具有广泛的材料选择，包括单晶硅和金属纳米膜及其聚合物集成。该方案首先通过转印工艺将2D前驱体与折叠主干集成在一起，以不同角度有策略地弯曲主干，将2D前驱体转化为专门设计的3D细观结构。这种宏观折叠策略，从角度和方向精确地改变结构，以将微观前驱体的折叠轨迹整合到3D结构，导致对结构形成和非常规架构的多维控制，例如位于边缘的单晶硅倒金字塔、独立的微型金笼以及各种高性能材料的复杂 3D 形式。此处报道的微折叠过程中的应变分布、结构稳定性和折叠行为的基础研究为设计可调拓扑结构的3D可变形结构建立了一般原理。此外，在用于可穿戴通信微天线、用于手颤监测的3D振动传感器和用于心脏绘图机器人中的应用突出了由微折叠实现的可变形 3D 系统的实用性和可扩展性。相关研究成果以“3D morphable systems via deterministic microfolding for vibrational sensing, robotic implants, and reconfigurable telecommunication”为题，发表在《Science Advances》上。

可变形 3D 结构的制备方案和设计原则

图 2. 其它基于微折叠组装的3D可变形结构。

通过这种微折叠方案，在广泛的材料中实现不同特征尺寸和几何形状（图2和图3）。 图 2 展示了一组由各种功能材料（金属纳米膜、聚合物和无机半导体纳米膜）组成的3D可变形介观结构，其几何形状从简单状态到复杂状态。在这里，光刻、蚀刻、转印和激光切割定义了Si/PLGA双层的图案，微折叠工艺将2D前体转化为类似于发箍的3D结构和一只蝴蝶。

图 3. 通过折叠配准确定性控制几何结构的 3D 可变形介观结构。

除此之外，这种微折叠方案通过在各种折叠轴之间切换折叠配准以从2D前体生成不同的3D结构来实现3D可重构性。具有带状几何形状的Si/PLGA双层沿x轴和y轴折叠，分别形成龟壳（形状 I）和盾牌（形状 II）。这种设计策略还可以实现一组不同的带状介观结构，这些介观结构由金属膜或金属和聚合物双层构成。而锯齿形铜丝带可以形成具有y轴折叠的单一鞋带，而x轴折叠变换产生装饰环。即使在具有双边对称性的2D铜前驱体的情况下，由此产生的3D结构类似于钻石或栅栏，具体取决于折叠路径。此外，折叠配准也适用于具有混合带/圆几何形状的复杂可变形3D结构。Au/PI双层以带状周期性图案构建，其中鸟笼和尖刺棒分别通过x轴和y轴折叠而成。与由形状记忆聚合物、形状记忆合金和液晶弹性体等智能材料激活的3D结构的重构方法相比，在各种外部刺激（例如热、化学、光学、磁力、电子和机械策略），微折叠策略通过可以控制良好的折叠提供高结构精度、稳定性和连续变形能力。

3D 可变形偶极微天线

图 4. 通过微折叠控制的可变形偶极微天线。

天线微型化在无线通信技术中起着重要作用。通常，所开发的折纸方案与现代平面器件技术具有高度兼容性，在结构设计和改造方面具有广泛的通用性，为3D天线小型化提供了有效途径。这里通过微折叠组件从具有蛇形图案和PI基底的双层铜纳米膜制备了可重构的偶极微天线。天线的反射系数S11，折叠角度范围从0°到90°。可以观察到，微天线的工作频率为5.20 GHz，最小S11为−38 dB。当它完全折叠（θ = 90°）时，中心频率仅略微移动至 5.32 GHz，最小S11为−26 dB，这与模拟结果非常吻合。所有折叠状态在5.20 GHz频率下模拟的2D和3D辐射模式表明当折叠角度从0°到90°时，微天线在3D变换期间的性能在空间分布上的变化可以忽略不计。3D天线在各种折叠配置下的S11参数、增益和辐射方向图的稳定性能表明，微折叠可以实现3D曲折线天线的小型化，并提供了按需调整其几何形状的机会，同时性能保持一致，并且可用于从电信到基于可植入微型化设备的生物医学应用。

用于监测手颤的3D振动传感器

图 5. 用于监测手颤的3D振动传感器。

微折叠策略制备了一个3D结构的可穿戴振动传感器，它可以实时准确地捕获震颤以评估症状的严重程度。3D振动传感器安装在食指上，可以在手沿不同方向移动时检测颤抖的存在。由于压阻效应，Si传感器的电阻与其应变变化成线性正比，即x方向的振动对SiNM传感器的电阻变化起主导作用，SiNM传感器的模拟应变变化和实测电阻变化都与振动频率呈正比关系。将 3D 振动传感器放置在食指上，以验证其捕捉细微手指运动的能力。基于完全折叠结构的3D振动传感器比基于部分折叠的细观结构的振动传感器具有更高的灵敏度，从而突出了微折叠组件的优势。通过配置折叠条件，灵敏度和感应范围的可调性可以满足各种实际应用的性能要求（振动，频率和振幅）。 此外，3D振动传感器中振动传感方向选择性可通过集成多个3D振动传感器来区分振动方向。

心脏部署的开花型机器人

图6：用于心脏部署的机器人

微折叠策略开发的机器人，可以封闭在导管结构中，具有心包内插入的微创方式。心外膜生物电子系统的平面形式，包括一个预切的PI基板层，呈花形几何形状，四个由Au 蛇形电阻器组成的电阻应变传感器分别位于花瓣上，以及聚对二甲苯封装顶层。通过微折叠组件从2D集成电子设备获得完全开花的3D心外膜生物电子机器人，完全开花的心外膜生物电子机器人由于其机械柔软性和可变形性，可以封装到导管中。处于闭合状态的3D心外膜生物电子机器人可以安全地进入胸腔或通过静脉到达心脏，一旦到达所需位置，导管就会缩回，花状结构会立即出现，与目标组织紧密结合。展示的一个生物电子机器人，它具有与几何不规则心脏组织的接口，共形部署在活小鼠心脏的心外膜表面上。多传感器（标记为 C1、C2、C3 和 C4）很好地排列在设备的花瓣上，并同时分布在心脏的四个腔室中，收集空间分辨的信息，从而实现实时、心肌收缩力的整体量化，可以辅助心脏病的诊断和治疗。因此，3D生物电子心外膜机器人在心脏手术后通过多个输出通道定位功能障碍组织和实时监测心肌收缩力恢复方面具有潜在的临床应用价值。

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参考资料：

1: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade0838

2: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abb7417

3: https://www.nature.com/articles/natrevmats201719

来源：高分子科学前沿