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自然现象
三维(3D)细胞微结构在生物体中普遍存在，它们在三维形状形成、营养物质的合成和运输以及生长和繁殖的调节方面发挥着多样的、不可替代的作用，如花中的不均匀分布的细胞微结构形成封闭的笼子（图1A）。由于细胞结构的高表面积、大孔体积以及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：具有高比刚度、比强度和抗冲击性的晶格材料和泡沫，用于高功率锂离子电池的具有小离子扩散距离和大比例活性材料的多孔电极，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，并清除废物，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。
启发新思路
受细胞生物表面的启发，清华大学航天航空学院张一慧教授等开发了一种微晶格设计策略，作为一种强大的途径来实现所需的2D微薄膜刚度分布，从而允许它们使用机械引导组装转化为可编程的3D曲面介面。研究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曲面介面。论文以《Programming 3D curved mesosurfaces using microlattice designs》题发表在Science上。
图1说明了生物启发微晶格设计策略的关键概念和功能。该策略引入了一个2D薄膜，该薄膜具有由空间变化的三角形单元和微米大小的条带组成的工程晶格图案。利用三角形晶格设计代替带圆孔的胞式设计，应力集中得到缓解，对复杂形状的边缘具有良好的适应性。考虑到三角形晶格的拉伸主导机制，有效模量(Ei)随单元相对密度的增大而增大。使用Ω表示在机械装配中与预拉伸弹性体结合的节点集。一旦给定孔隙度分布φi、键合位点节点集Ω和预应变(εX和εY)，就可以确定由机械组装产生的三维介面。指定不同的孔隙度(φi)分布会导致不同的三维表面几何形状，这表明孔隙度分布在裁剪组装介面几何结构中起着至关重要的作用。微格策略的实际应用需要一种合理的逆设计方法作为理论基础，而反设计问题的重点是确定目标三维表面的孔隙度分布、粘结位点和预应变以及规定数量的三角形单元。微晶格设计策略赋予了微薄膜的局部离散但全局连续的几何特征，从而实现了固体微薄膜无法实现的离散性介导的变形机制。这种由离散度介导的变形机制主要发生在具有内键结合位点的微薄膜中，在这些区域通常会发生局部变形。对于固体或密集分布的微晶格薄膜，包含扭曲变形的手性模式在能量上更有利。当微晶格足够稀疏以容纳带状成分的弯曲主导变形时，对称模式在能量上更有利。虽然固体缩微薄膜表现出手性屈曲模式，但其扭转方向是随机的且不可控的。利用微晶格薄膜的离散性介导的变形提供了一种具有控制手性的3D介面的途径。
图 1：基于生物启发微晶格设计策略的三维介面的曲率规划概念图基于光束理论的模型允许二维带状细观结构和轴对称细观表面的逆设计(图2)。通过将直带状微晶格均质为实心带状结构，利用欧拉-伯努利梁理论，可以解析得到目标带状的关键设计参数（孔隙率φ(S)和预应变εpre）。大多数轴对称的3D表面是不可展开的，因此不能直接从几何连续的2D薄膜组装而成。研究引入了一种基于离散化的近似方法，使基于光束理论的模型在轴对称介面的反设计中得到应用。该方法将目标曲面均匀地划分为n个子曲面，每个子曲面都可以视为宽度不均匀的带状。进而确定目标地下孔隙度分布φ(S)和预应变εpre。引入内键位可以使组装的三维介面的曲率变化其符号，从而扩大了三维介面的范围。图2B展示了一个火山状的介面，在中心区域有一个陨石坑状的凹坑。将高孔隙度(90%)分配到内表面和外表面的联合区域，使可编程的折叠变形能够再现斜坡不连续的几何特征。基于光束理论的模型还允许具有旋转对称的三维介面逆向设计，包括从真实植物重建的复杂仿生介面，然后通过反求设计方法确定双分子层二维前驱体形态和预应变(图2F)，这种反设计方法可以进一步扩展到具有轻微不对称度的弯曲介面。如果目标三维曲面不能离散成一组对称的条带，则上述基于梁理论的仅考虑弯曲变形的模型将不成立。引入机器学习算法，可以为具有对称和非对称配置的三维介面建立强大的逆设计方法。该方法可大大降低计算成本，有利于复杂三维曲面的反求设计。
图 3：基于点云的机器学习方法的三维复杂介面的逆向设计受生物启发的微晶格设计允许构建具有所需曲率分布的3D电子系统，以符合或复制生物组织和器官的弯曲表面。图4A展示了用于心脏传感、光学刺激和热消融的透气半球形电子设备。引入了优化的蛇形结构作为应变限制框架，其中组装的半球形形状不仅可以很好地保持在悬浮状态，而且还可以变形以适应非球面，以产生高信噪比温度传感(图4B-C)。微晶格设计不仅减少了物理约束，还为心包内的润滑液提供微通道，以避免心包联合。利用微晶格设计，模仿生物体动态特性的仿生三维介观结构也成为可能。图4D显示了一种类似黄鳐鱼的3D介观结构，具有弯曲的身体和一对“扇形鳍”，与翅片集成的两个电路可以在固定磁场下沿体长方向对三维细观结构产生周期性变化的洛伦兹力。通过改变两个电路中的电流方向，调节电流频率，可以激发出不同的振动模式(图4E-F)。此外，模拟体内三维微环境的三维生物模型和平台的开发对于研究细胞的基本行为具有重要意义。三维电子细胞支架可作为研究细胞生理活动(如生长和凋亡)实时空间分布的非侵入性平台。
小结
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，包括但不限于本工作中展示的材料。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。保形三维心脏电子设备、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，微晶格策略还可用于设计光学器件。https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf3824Xu Chenget al. Programming 3D curved mesosurfaces using microlattice designs.Science, 379: 1225-1232.DOI：10.1126/science.adf3824.
