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美國西北大學Rogers教授、黃永剛教授和清華大學張一慧副教授課題組將壓縮屈曲組裝和轉印技術相結合，在小尺度上實現了可驅動三維結構。
2018年9月15日，相關工作以”Mechanically active materials in three-dimensional mesostructures”為題在線發表在Science Advances上。該方法首先在二維平面狀態下，通過轉印將多片壓電薄膜和金屬電極佈置在預設形狀的聚合物層內，然後通過受控壓縮屈曲形成三維結構。本文工作中通過金屬電極向壓電薄膜施加電壓，可以實現三維結構的動態驅動。各壓電薄膜可以獨立驅動，通過設計其位置及施加電壓的方式，能夠基於同一個結構產生多種三維振動模態。結合有限元仿真進行優化，能夠根據需要設計出特定的振動模態。
為了驗證這種能力，該工作設計了一種能夠同時測量流體粘性、密度的三維結構。相比之下，基於二維幾何形狀的可驅動結構由於難以充分激勵出三維振動模態，限制了其在上述應用中的性能。除此之外，通過該技術實現的三維結構還有望於生物傳感器、生物力學、能量收集等領域發揮作用。該文章第一作者為伊利諾伊大學的寧鑫博士(現任教於美國賓州州立大學)、於欣格博士(現任教於香港城市大學)、美國西北大學的王禾翎博士，通訊作者為美國西北大學Rogers教授和清華大學張一慧副教授。
介觀尺度三維可驅動結構的設計和製備
製備過程首先通過微加工和轉印技術在二維平面狀態下實現聚合物層和壓電薄膜、金屬電極的集成。二維結構包含環氧樹脂骨架層、金屬電極導線層、壓電薄膜層，壓電薄膜層和金屬電極導線層上下各有一層聚合物封裝層。通過光刻等成型技術可以使各層形成特定的形狀。將二維平面結構轉印到預拉伸的彈性基底上並通過若干粘接點位與基底粘接，釋放基底的拉伸應變後二維結構在壓縮作用下屈曲形成三維結構。
通過這種技術可在同一個三維結構上集成多個壓電薄膜，它們通過各自的金屬導線和電極與外部信號發生裝置連接，各壓電薄膜可以各自獨立受到激勵。
由於壓電薄膜採用的是壓電陶瓷材料Pb(Zr0.52Ti0.48)O3，其極限破壞應變較低，受到約0.6%應變就會發生斷裂破壞，用於連接的金屬導線也有類似問題，因而確保壓縮屈曲形成的結構的可靠性是一個重要的問題。利用有限元仿真可以較好地預測三維結構的幾何形狀和應變狀態，因而對結構進行可靠性設計。針對本文中形態各異的三維結構，有限元仿真得到的構型都能與實驗中掃描電鏡照片符合良好。同時，有限元表明三維結構中各層材料的最大主應變都小於其破壞應變。
空氣中振動模態的激勵
通過粘接點處的電極向壓電薄膜輸入正弦電壓信號，能夠選擇性地激勵出多種振動模態。例如，對於一個四腿的桌子結構，向位於其左右兩條腿上的壓電薄膜施加相位相差180度的電壓信號，激勵出的是左右振動模態；而向位於其前後兩條腿上的壓電薄膜施加類似的電壓信號，則激勵出前後振動模態。振動模態和共振頻率可以通過有限元仿真預測。同時，在實驗中通過一套光學系統，也能夠測定各振動模態的共振頻率。有限元預測的共振頻率與實驗結果較為接近，二者的相對偏差在5%以內。
基於三維結構共振頻率測量流體粘性和密度
該項技術所能實現的三維結構豐富多樣，壓電薄膜在結構中的位置也可以選擇，這種能力為設計三維結構和振動模態提供了充足的優化空間以滿足某種特定需求。作為示例，作者們設計了一種三維結構，其具有對牛頓流體粘性、密度的敏感性可部分解耦的兩個共振模態。其中旋轉振動模態對流體粘性較為敏感而活塞振動模態對粘性不敏感，同時兩種模態都對流體密度有足夠的敏感性，因此通過測量這兩個模態在流體中的共振頻率，結合理論分析求解反問題，可以測定出流體粘性和密度。
為了進一步簡化反問題的求解，本文利用量綱分析結合有限元，發展了一個尺度公式以建立流體粘性、密度和三維結構在流體中共振頻率之間的關係。利用該公式求解一個二元一次方程組即可得到流體粘性和密度。此外，尺度公式還給出了共振頻率隨三維結構幾何、材料參數的變化規律。以水和甘油不同比例的混合物為例，利用本文方法測定出的流體粘性、密度與用粘度計等常規方法測定的結果接近。該方法也適用於血清、血漿、細胞培養液、磷酸緩衝鹽溶液等生物或與生物化學研究相關的流體粘性和密度測量。這些流體性質仍符合牛頓流體模型
本文中的三維結構在非牛頓複雜流體中也能良好地工作，測定出振動幅度隨頻率等的變化規律。此外，由於這種三維結構具有良好的柔性，可以集成於醫用導管等醫療器件上。作為展望，結合新的理論模型和實驗研究，三維結構有望於測定血液粘性等具有醫用價值的領域發揮作用。
受資助情況
本文中工作得到了國家自然科學基金、國家基礎科學研究計劃、清華大學信息科學與技術國家重點實驗室、美國國家基金會、美國國立衛生研究院、美國能源部項目基金的支持。
招聘
該工作共同第一作者 於欣格 博士於2018年8月加入香港城市大學生物醫學工程系，任助理教授（http://www6.cityu.edu.hk/stfprofile/xingeyu.htm），並從事柔性電子、生物集成電子的研究。現招收博士研究生，博士生申請人專業不限，具有電子及電路科研背景優先考慮。有意向者請將個人簡歷發送至 [email protected]。
該工作共同第一作者 寧鑫 博士於2018年8月加入賓州州立大學航空系，成立先進結構實驗室 （https://sites.psu.edu/ning/），現招收優秀博士後（柔性電子、生物電子方向）和博士生（固體結構力學、複合材料方向）。博士後申請人需有microfabrication相關科研經驗，博士生申請人專業不限但須有紮實力學實驗或者計算基礎。有興趣者請發個人簡歷至[email protected]。
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