在工业实践中，零部件和电子设备的组装是关键环节复杂机械设备的正常运转。过去，这些部件的基板主要是平面的，少数在曲面上组装的部件大多局限于简单的结构，不易修改。对于复杂的三维结构件，能否安装在曲面基板上，同时实现便捷的安装和改装？近日，清华大学张义辉教授团队提出了一种新的组装策略来解决这一问题，并在最新一期ScienceAdvance上发表了成果。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm6922论文中提到，具有工程三维结构的电子设备对于摩擦传感、广域光学成像和流速测量至关重要较少的。机械引导装配的最新进展通过受控的滚动/折叠/弯曲变形在高性能材料中建立了明确的3D结构路线。然而，由此产生的3D结构大多形成在平面基板上，不能直接转移到另一个曲面基板上。本研究介绍了一种有序组装策略，可以将2D薄膜转换为各种曲面上的复杂3D结构。该策略利用预定的机械负载将弯曲的弹性体基板变形为平面/圆柱形结构，然后进行额外的单轴/双轴预紧以驱动弦引导组件。通过力学建模，可以准确释放预定载荷，在曲面上有序组装具有复杂三维结构的零件。在这篇论文中，数十个具有这种结构的部件被组装在一个弯曲的基板上。其中包括可调谐偶极天线、水管中的流量传感器、能够与心脏共形集成的集成电子设备等。上图是复杂3D结构在曲面上的有序组装策略的概念图。(A)有序装配策略通过人脸3D装饰面具的形成来说明。右侧的两幅图像对应于银(5m)和PET(75m)双层中3D结构的FEA预测和光学图像。(B)上图是螺旋底和可被扭转和拉伸载荷压扁的螺旋底的有限元分析结果。底部面板展示了3D叶状结构在螺旋基板上的有序组装，以及有限元分析预测和光学成像图。(C)在圆柱管内表面组装3D结构的概念图，其中基板被倾斜切割，通过弯曲变形压平，然后在与2D前体集成之前进行预拉伸。底部面板展示了圆柱形管内分层3D螺旋结构[Al(2.5m)/PET(30m)]的有序组装过程，并附有有限元分析预测和光学图像。(D)3D结构在具有莫比乌斯带形状的基板上的组装过程的图示，以及有限元分析预测和光学图像。上图是一个复杂的三维结构，组装在一个可以展平的曲面上。(A)是马蹄形曲面基板的示意图，可以通过单轴拉伸将其压平。(B)光学图像展示了3D带状结构在马蹄形基板上的组装过程。(C)在不同程度的双轴拉伸下，半球形弹性基板的生成矩阵剖面的有限元分析和经验结果。R0表示初始半球的半径。(D)在不同程度的双轴拉伸下，半球形矩阵的最大主应变剖面的FEA预测。(E)根据有限元分析的预测，比较组装在半球形基板上的不同长度的直带(Lribbon)。(F)组装在半球形基板的凸面和凹面上的各种3D结构的2D几何形状、FEA预测和实验图像。G到J：在半球形基板上组装的半椭圆形表面的逆向设计。(KtoN)具有相同高度(hi)的小半球的逆向设计，这些半球组装在半球基板上的不同空间位置。（O和P）在类脑表面组装的螺旋微尺度结构网络和微型3D菱形带状微结构的光学图像。上图显示了复杂3D结构在圆柱/类圆柱表面上的组装。(A)用作弯曲基板的主动脉模型的示意图，以及通过压缩在该基板上弯曲的螺旋和双螺旋结构的组装过程。(B)通过拉伸屈曲在圆柱形基板上组装不同长度的直条的过程。(C)圆柱形基板上组装的各种3D结构的2D几何形状、有限元分析预测和实验图像。(D)二维前驱体的实验图像、有限元分析预测以及由拉伸屈曲形成的受剪纸启发的鳞片状3D结构。(E)有限元分析预测和实验图像展示了阿基米德螺旋纤维上受剪纸启发的尺度结构阵列的有序组装过程。（F到H）在螺旋纤维上不同空间区域具有相同高度和螺距的螺旋结构组件的逆向设计。作者团队本文通讯作者为清华大学航天工程学院工程力学系终身教授张益辉博士。2011年获得博士学位。清华大学航天学院工程力学系，工学学士。2011-2015年在西北大学土木与环境工程系任博士后、研究助理教授。2015年加入清华大学工程力学系，历任副教授、终身副教授、终身教授。主要研究领域为力学引导的三维微结构组装、非常规软材料、柔性可伸缩电子器件、智能材料与结构力学。迄今已获得授权中国发明专利5项，美国发明专利3项，出版学术专着1部，发表SCI论文150余篇，其中通讯作者在《Science》、《Nature》、《Nature Materials》、《Nature Electronics》、《Nature Reviews Materials》、《Nature Communications》、《Science Advances》、《PNAS》、《JMPS》、《Advanced Materials》、《ACS Nano》等期刊发表高水平学术论文80余篇。两位共同作者薛兆国和金天琪均来自清华大学工程力学系应用力学实验室。薛兆国主要负责概念化、数据管理、形式分析、资金获取、调查、方法论、项目管理、资源、软件、验证、可视化、论文写作、审查和编辑。金天琪主要负责概念化、数据管理、形式分析、调查、方法论、软件、可视化和论文写作。
