北卡教堂山分校白武斌教授團隊《Sci.Adv.》:微摺疊三維可變形系統，用於傳感/機械人和微天線應用

美國北卡羅來納大學教堂山分校白武斌教授團隊在《Science Advances》發文，報告了一種微摺疊三維結構的策略，該策略能夠形成與各種功能材料集成的三維可變形微電子系統。通過微摺疊策略可以實現三維微電子系統的過渡狀態，提供了複合材料多功能性的有效設計思路。該可變形微電子系統，可用於包括可重構微天線、振動監測的傳感器和心電繪圖的機械人，展示了該方案在潛在功能應用方面的廣泛前景。

DNA 和蛋白質在三維 (3D) 中摺疊以實現維持生命的功能。模擬這種功能材料的摺疊方案可以釋放巨大的潛力，尤其是在機械人、醫學和電信領域。傳統的3D微納米結構策略，包括離子束光刻、逐層生長、多光子光刻、基於印刷先進制造和全息光刻，可設計高精度的3D結構，但是通常僅限於使某些高性能材料，例如單晶硅納米膜具有結構可變形性。可變形3D結構的開發可以豐富現有形式的柔性電子設備開發，這仍然是未來設備功能和應用的研究挑戰。此外，結合一些現有方案中的摺紙和剪紙設計概念，通過摺疊的多維自由度，在3D中形成各種可變形結構具有較大的前景。

圖 1. 單晶硅3D微結構的摺疊組裝策略。

在這裡，研究團隊提出了一種設計策略，可在微尺度上實現摺紙，以建立可變形的3D微電子系統。該系統具有廣泛的材料選擇，包括單晶硅和金屬納米膜及其聚合物集成。該方案首先通過轉印工藝將2D前驅體與摺疊主幹集成在一起，以不同角度有策略地彎曲主幹，將2D前驅體轉化為專門設計的3D細觀結構。這種宏觀摺疊策略，從角度和方向精確地改變結構，以將微觀前驅體的摺疊軌跡整合到3D結構，導致對結構形成和非常規架構的多維控制，例如位於邊緣的單晶硅倒金字塔、獨立的微型金籠以及各種高性能材料的複雜 3D 形式。此處報道的微摺疊過程中的應變分佈、結構穩定性和摺疊行為的基礎研究為設計可調拓撲結構的3D可變形結構建立了一般原理。此外，在用於可穿戴通信微天線、用於手顫監測的3D振動傳感器和用於心臟繪圖機械人中的應用突出了由微摺疊實現的可變形 3D 系統的實用性和可擴展性。相關研究成果以「3D morphable systems via deterministic microfolding for vibrational sensing, robotic implants, and reconfigurable telecommunication」為題，發表在《Science Advances》上。

可變形 3D 結構的製備方案和設計原則

圖 2. 其它基於微摺疊組裝的3D可變形結構。

通過這種微摺疊方案，在廣泛的材料中實現不同特徵尺寸和幾何形狀（圖2和圖3）。 圖 2 展示了一組由各種功能材料（金屬納米膜、聚合物和無機半導體納米膜）組成的3D可變形介觀結構，其幾何形狀從簡單狀態到複雜狀態。在這裡，光刻、蝕刻、轉印和激光切割定義了Si/PLGA雙層的圖案，微摺疊工藝將2D前體轉化為類似於發箍的3D結構和一隻蝴蝶。

圖 3. 通過摺疊配準確定性控制幾何結構的 3D 可變形介觀結構。

除此之外，這種微摺疊方案通過在各種摺疊軸之間切換摺疊配准以從2D前體生成不同的3D結構來實現3D可重構性。具有帶狀幾何形狀的Si/PLGA雙層沿x軸和y軸摺疊，分別形成龜殼（形狀 I）和盾牌（形狀 II）。這種設計策略還可以實現一組不同的帶狀介觀結構，這些介觀結構由金屬膜或金屬和聚合物雙層構成。而鋸齒形銅絲帶可以形成具有y軸摺疊的單一鞋帶，而x軸摺疊變換產生裝飾環。即使在具有雙邊對稱性的2D銅前驅體的情況下，由此產生的3D結構類似於鑽石或柵欄，具體取決於摺疊路徑。此外，摺疊配准也適用於具有混合帶/圓幾何形狀的複雜可變形3D結構。Au/PI雙層以帶狀周期性圖案構建，其中鳥籠和尖刺棒分別通過x軸和y軸摺疊而成。與由形狀記憶聚合物、形狀記憶合金和液晶彈性體等智能材料激活的3D結構的重構方法相比，在各種外部刺激（例如熱、化學、光學、磁力、電子和機械策略），微摺疊策略通過可以控制良好的摺疊提供高結構精度、穩定性和連續變形能力。

3D 可變形偶極微天線

圖 4. 通過微摺疊控制的可變形偶極微天線。

天線微型化在無線通信技術中起着重要作用。通常，所開發的摺紙方案與現代平面器件技術具有高度兼容性，在結構設計和改造方面具有廣泛的通用性，為3D天線小型化提供了有效途徑。這裡通過微摺疊組件從具有蛇形圖案和PI基底的雙層銅納米膜製備了可重構的偶極微天線。天線的反射係數S11，摺疊角度範圍從0°到90°。可以觀察到，微天線的工作頻率為5.20 GHz，最小S11為−38 dB。當它完全摺疊（θ = 90°）時，中心頻率僅略微移動至 5.32 GHz，最小S11為−26 dB，這與模擬結果非常吻合。所有摺疊狀態在5.20 GHz頻率下模擬的2D和3D輻射模式表明當摺疊角度從0°到90°時，微天線在3D變換期間的性能在空間分佈上的變化可以忽略不計。3D天線在各種摺疊配置下的S11參數、增益和輻射方向圖的穩定性能表明，微摺疊可以實現3D曲折線天線的小型化，並提供了按需調整其幾何形狀的機會，同時性能保持一致，並且可用於從電信到基於可植入微型化設備的生物醫學應用。

用於監測手顫的3D振動傳感器

圖 5. 用於監測手顫的3D振動傳感器。

微摺疊策略製備了一個3D結構的可穿戴振動傳感器，它可以實時準確地捕獲震顫以評估癥狀的嚴重程度。3D振動傳感器安裝在食指上，可以在手沿不同方向移動時檢測顫抖的存在。由於壓阻效應，Si傳感器的電阻與其應變變化成線性正比，即x方向的振動對SiNM傳感器的電阻變化起主導作用，SiNM傳感器的模擬應變變化和實測電阻變化都與振動頻率呈正比關係。將 3D 振動傳感器放置在食指上，以驗證其捕捉細微手指運動的能力。基於完全摺疊結構的3D振動傳感器比基於部分摺疊的細觀結構的振動傳感器具有更高的靈敏度，從而突出了微摺疊組件的優勢。通過配置摺疊條件，靈敏度和感應範圍的可調性可以滿足各種實際應用的性能要求（振動，頻率和振幅）。 此外，3D振動傳感器中振動傳感方向選擇性可通過集成多個3D振動傳感器來區分振動方向。

心臟部署的開花型機械人

圖6：用於心臟部署的機械人

微摺疊策略開發的機械人，可以封閉在導管結構中，具有心包內插入的微創方式。心外膜生物電子系統的平面形式，包括一個預切的PI基板層，呈花形幾何形狀，四個由Au 蛇形電阻器組成的電阻應變傳感器分別位於花瓣上，以及聚對二甲苯封裝頂層。通過微摺疊組件從2D集成電子設備獲得完全開花的3D心外膜生物電子機械人，完全開花的心外膜生物電子機械人由於其機械柔軟性和可變形性，可以封裝到導管中。處於閉合狀態的3D心外膜生物電子機械人可以安全地進入胸腔或通過靜脈到達心臟，一旦到達所需位置，導管就會縮回，花狀結構會立即出現，與目標組織緊密結合。展示的一個生物電子機械人，它具有與幾何不規則心臟組織的接口，共形部署在活小鼠心臟的心外膜表面上。多傳感器（標記為 C1、C2、C3 和 C4）很好地排列在設備的花瓣上，並同時分佈在心臟的四個腔室中，收集空間分辨的信息，從而實現實時、心肌收縮力的整體量化，可以輔助心臟病的診斷和治療。因此，3D生物電子心外膜機械人在心臟手術後通過多個輸出通道定位功能障礙組織和實時監測心肌收縮力恢復方面具有潛在的臨床應用價值。

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參考資料：

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

來源：高分子科學前沿