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在当今科技飞速发展的时代，创新和突破是推动社会进步的不竭动力。而在这样的背景下，张一慧教授以其在软材料与柔性结构力学、三维微电子器件等领域的卓越成就，成为了科学界的一颗璀璨明星。他的研究不仅在学术界引起了广泛关注，更在实际应用中展现出了巨大的潜力和价值。

张一慧教授在学术论文发表方面有着丰富的成果，至今已发表学术论文180余篇，其中以通讯作者在《Science》、《Nature》、《Nature Materials》等顶级期刊上发表了多篇重要论文。这些论文涵盖了三维微纳结构组装、软物质与柔性结构力学、微型机器人等多个领域，显示了他在相关领域的深厚研究基础和国际影响力。

此外，张一慧教授还获得了多项国际认可的奖项，包括美国工程科学学会詹姆斯·莱斯奖章，这进一步证明了他在科学研究领域的卓越贡献和国际领先地位。

张一慧教授在软材料与柔性结构力学、三维微电子器件等领域取得了丰富的学术成就，包括发表高质量学术论文、获得国际奖项以及推动国际合作等方面，充分体现了他在该领域的领导地位和影响力。

张一慧教授的三维微纳结构组装新方法主要基于力学引导的组装原理，通过利用先进材料及结构力学原理，将器件构型由平面转为三维。这种方法具有材料/尺度适用范围广、成型后可再变形、可兼容平面微纳加工工艺等优点。

图1. 三维柔性电子器件的力学引导组装方法。内圈为四种三维组装方法：弯曲组装、折叠组装、共形组装和屈曲组装；中圈为器件的结构性功能；外圈为三维柔性电子器件在生物/医疗、电磁、能源、光电、机器人等领域的应用

具体来说，该方法首次将可控力学屈曲引入至微尺度三维结构组装，实现了从二维微纳米薄膜到三维细微观结构的高精度组装。此外，屈曲组装方法兼具材料适用性广、几何构型丰富、兼容平面微纳加工工艺等优势，可实现基于多材料体系的跨尺度复杂三维柔性电子器件制造。

图2. 典型的力学引导组装方法及代表性三维柔性器件

在应用前景方面，张一慧教授的研究成果在生医器件、集成电路、可穿戴器件、微型机器人、非常规侦查天线等方面展现出重要的应用潜力。例如，基于立体结构的三维微电子和光电子器件，在摩擦力传感、微型机器人可控运动、宽视场光学成像和流速测量等众多领域具有不可或缺的作用。此外，该技术还能够在仿生三维光电器件等领域发挥重要作用，并且在光子通信和彩色全息图中具有广泛的应用前景。

张一慧教授提出的三维微纳结构组装新方法通过引入可控力学屈曲，实现了从二维到三维的高精度组装，不仅适用于各种高性能材料，而且在多个领域展现出广阔的应用前景。

在仿生结构设计方向，张一慧教授课题组在三维曲面定制化设计方面取得突破性研究成果，该成果已发表在《科学》（Science）杂志上 (Science 2023, 379: 1225-1232)，以《科学》当期出版目录亮点图片的形式报道，受到《自然》等期刊亮点报道，并入选了国家自然科学基金委2023 年度优秀资助成果。研究团队受到生物多孔微结构的启发，提出了一种仿生微点阵设计概念，通过力学引导组装技术，实现了二维薄膜到三维复杂细微曲面的转变。

图3. 生物体的三维多孔微结构：（A）毛酸浆；（B）白玉草；（C）结球甘蓝；（D）冠盖硅藻

图4. 基于微点阵设计方法的三维微曲面正向与逆向设计示意图

图5. 仿曼陀罗花朵的三维细微曲面的组装过程（FEA）

图6. 仿栀子花朵的三维细微曲面的组装过程（FEA）

此外，该课题组还提出了一种利用介电弹性体组装平台实现的三维结构快速组装与重构的方法，该方法利用介电弹性体平面驱动器的快速电致变形，通过采用电致变形区域的图案化设计等策略，结合力-电耦合的驱动模式，实现了复杂三维构型的快速组装与重构。该组装策略同样适用于广泛的材料种类和结构特征尺度。给出了近30种基于该组装策略的三维构型，验证了该策略在实现复杂三维结构的快速组装与重构方面的巨大优势。基于该组装方法，设计并制备了一种谐振频率可调的三维可重构电容器件，为三维微电子器件的快速组装与重构提供了一种新的实现途径。

这些研究成果在生物电子学、微型机器人、微纳光学等领域具有重要的应用价值。特别是在生物医学器件、微机电系统、光电子器件和超材料等众多科技领域，三维微纳米结构的应用前景广阔。例如，基于上述微点阵设计研制出一种具有传感能力的球帽状电子细胞支架，不仅可为视网膜色素上皮（RPE）细胞提供可定制的三维曲面生长平台，还可长时监测RPE细胞的生长与凋亡状态，有望应用于视网膜黄斑变性等疾病致病机理的深入研究；通过逆向工程研制仿生柔性网状支架的研究，为软组织再生提供了新的解决方案，解决了支架与再生软组织之间的力学不匹配导致的再生效果不佳甚至修复失效的问题，有望在临床应用中发挥重要作用。此外，力学引导的三维柔性电子器件组装方法的研究，为三维柔性电子器件的制造提供了新的思路，有望在生物电子器件等领域得到广泛应用。

张一慧课题组与黄永刚、John Rogers、Leonardo P. Chamorro课题组的合作，基于上述屈曲力学引导的三维组装技术，以风传种子为灵感，设计出具有类似几何构型和空气动力学行为的三维微电子飞行器，实现了微电子器件的被动、长时间、远距离飞行。

课题组采用2015年合作提出的屈曲力学引导的三维组装方法（Science 2015, 347: 154-159），将二维前驱体结构选择地粘接在预拉伸基底，释放预应变实现结构的压缩屈曲，完成二维到三维构型的转变。通过有限元模拟设计一系列精巧的三维飞行器结构（图9），解决了结构重量问题。通过流体力学模拟了二维结构下落中的翻转、颤动过程以及风传种子三维结构在下落过程中的稳定性，建立了流固耦合理论模型，揭示了旋落过程的运动机理，实现了长时间滞空。

图8.三维飞行器结构的力学引导屈曲组装

基于理论研究与结构设计，利用有限元模拟电子系统的组装过程。在飞行结构上集成微电子器件，包含天线、微控制芯片和紫外传感器。高空释放后，可对空气污染物长时实时监测。集成不同芯片，有望实现城市传染病病原体分布监测等。其可成为未来飞行器“物联网”节点，助力疫情监测与防控。

2021年9月22日，研究成果在《自然》（Nature）期刊以长文形式发表，题为《受风传种子启发的三维电子微型飞行器》（Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds），为同期的封面文章。

图9. 相关工作被选为《自然》期刊的封面文章

在未来的科研旅程中，我们期待张一慧教授能够继续引领科学前沿，不断探索未知，为人类带来更多的惊喜和福祉。他的故事和成就，将作为科研领域的一个光辉典范，激励着后来者不断追求卓越，勇攀科技高峰。

2020年9月11日20:00（北京时间），iCANX Talks 二十二期，张一慧作为嘉宾带来分享，可扫码回放：

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