近年来，随着生物电子器件的迅速发展，仿生软质材料受到了研究学者的广泛关注。很多软质生物组织都体现出一种J形的应力应变响应行为，这与其微结构由弯曲主导向拉伸主导模式转变的力学机制紧密相关。在此前的工作中，张一慧教授课题组以马蹄形微结构为基本单元，结合二维周期性点阵拓扑，设计并制备了可以精确匹配人体皮肤应力应变曲线的软质二维仿生材料。但受限于马蹄形微结构的二维拓展性、复杂三维微结构的制备工艺等难题，仿生软质三维材料的研究一直具有很大的挑战性。
近日，清华大学航天航空学院张一慧教授课题组在Nature Communications上发表了题为“Soft Three Dimensional Network Materials with Rational Bio-mimetic Designs”的研究论文。该工作以三维螺旋微结构为基本单元并通过不同空间拓扑排布构造出一类具有缺陷不敏感特性的仿生软质三维网状材料，这类材料可精确复现生物组织的各向异性非线性力学响应。该设计可通过调节螺旋微结构的几何参数和空间拓扑大范围调控软质三维网状材料的J形应力应变曲线，从而实现了可精确匹配生物组织各向异性J形应力应变曲线的软质三维网状材料。通过磁控溅射技术，制备加工出具有仿生力学性能的导电三维网状材料，为设计和制备仿生三维柔性传感器提供了一种新思路。该成果在组织工程、软体机器人、生物集成电子器件等领域有着广阔的应用前景。
生物体中的许多胶原组织具有螺旋形的三维微结构，而这些螺旋形的三维微观结构与生物组织的J形应力应变响应密切相关。受到这种生物组织螺旋形微结构的启发，张一慧教授课题组提出了一类以螺旋微结构为基本构元的软质三维网状材料仿生设计方法。图1展示了基于不同晶格拓扑（立方体、八面体和八隅体）形成的仿生软质三维网状材料的示意图和实物图，以及螺旋微结构的示意图。这里的螺旋微结构在两端进行了巧妙的几何设计，既保证了螺旋中心线的一阶连续性，又避免了多个微结构交汇时在节点附近的相互嵌入。对于螺旋微结构的软质三维网状材料，可定义螺旋微结构完全拉伸展开时的应变为临界应变。在这一临界时，其变形从弯曲主导转变为拉伸主导。这类软质三维网状材料具有良好的力学性能，能够实现较大的拉伸、压缩、弯曲和扭转变形（图2）。
图1：软质三维网状材料的设计与制备。a图为具有不同点阵拓扑（立方体、八面体和八隅体）的软质三维网状材料的示意图，b图是通过3D打印技术制备的实物模型，c图展示了三维螺旋微结构的几何构型，其中d0、R0，N0，p0和pj分别表示螺旋截面直径、螺旋半径、螺旋圈数、螺旋间距和接头长度。比例尺为5 mm。
图2：八面体晶格结构三维网状材料的拉伸、压缩、弯曲和扭转变形。
图3：不同拓扑（立方体、八面体和八隅体）的软质三维网状材料拉伸变形。
该工作通过系统的实验和有限元分析，对这类仿生软质三维网状材料的力学性能进行了深入的研究。着重详细研究了螺旋微结构几何参数以及不同空间拓扑（图3）对软质三维网状材料单轴拉伸力学特性的影响。同时也分析了这类软质三维网状材料的缺陷不敏感性、压缩力学特性以及不同特征方向拉伸的力学特性。揭示出螺旋微结构的主要无量纲几何参数（截面直径d0/R0、螺旋圈数N0和螺旋间距p0/R0）以及不同空间拓扑对软质三维网状材料J形应力应变曲线的影响规律，为实现匹配生物组织应力应变曲线的仿生设计提供了依据。
图4展示了通过微结构的参数设计，软质三维网状材料可以复现生物组织的力学性能，其中第一个例子关注于人类心肌组织在拉伸时的应力应变曲线（图4a），第二个例子对应于成年小鼠心肌组织分别沿环向和径向拉伸的应力应变曲线（图4b）。
图4: 可复现生物组织力学性能的软质三维网状材料。图a为复现人类心肌组织应力应变曲线的三维网状材料设计及模型，图b为复现成年小鼠右心室心肌组织的各向异性应力应变曲线的三维网状材料设计及模型。比例尺为5 mm。
通过集成导电材料，制备出的仿生软质三维网状材料可以应用于生物传感领域。图5展示了基于仿生软质三维网状材料的柔性传感器。将金属薄层覆盖在仿生软质三维网状材料上，导电三维网状材料在压缩和拉伸变形时将产生力电信号的转换，实现柔性传感器的应用。由图5b可以看出，当器件受压小于5kPa时，其压缩过程中螺旋微结构间接触面积迅速增大，在此受压范围内该器件的灵敏度较高，当器件受压大于20kPa时，器件的灵敏度较低。图5c展示了柔性传感器拉伸变形时的电阻变化率变化曲线以及变形过程图。
该成果为仿生三维多孔软材料的设计提供了一种新思路，在软体机器人、生物电子器件、组织工程等领域具有广泛的应用前景。
图5：基于仿生软质三维网状材料的柔性传感器。图a为软质三维网状材料在磁控溅射前后的对比图，图b为柔性传感器压缩变形时的电阻变化率变化曲线以及变形过程图，图c为柔性传感器拉伸变形时的电阻变化率变化曲线以及变形过程图。比例尺为5 mm。
清华大学航院张一慧教授为本论文通讯作者。清华大学航院博士后阎东佳和博士生常嘉辉为本文的第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金项目、清华大学自主科研计划和清华信息科学与技术国家实验室的支持。
点击https://www.nature.com/articles/s41467-020-14996-5查看论文原文。
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