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柔性器件与功能系统的一个重要发展方向是将传统的平面物理架构转化为具有精细且复杂的空间拓扑构型的三维架构，这使其能够通过优化设计三维结构与功能材料实现更多的设计自由度、更优异的机械/电学性能，乃至新颖的功能，进而应用于智能感知、人机交互、能量收集和生物医疗等广泛场景中。
近年来，在多个领域实际需求的推动下，三维柔性器件与功能系统在三个主要方向上快速发展：（1）柔性器件的微型化（即器件特征尺寸从毫米尺度缩小到微米尺度和纳米尺度）；（2）物理智能（如高灵敏多通道感知、复合运动模式和自愈合能力）与嵌入式人工智能（如自主学习、判断与决策能力）水平的显著提高；（3）异质集成水平与复杂环境适应能力的显著提高（尤其是三维电子界面与生物组织/器官的无缝融合）。
在这些重要方向上的探索工作同样面临着诸多棘手的科学与技术挑战。例如，受微纳尺度上范德华力与毛细力引起的强粘附作用影响，实现数十微米体长三维软体机器人的自主可控运动非常困难。虽然多物理信号的同步感知是人体皮肤的固有能力，但因受到探测能力与多通道信号耦合等多方面限制，将这种生物特性赋予人造三维传感器件极具挑战性。此外，柔性器件与动态变化的细胞/组织/器官的三维集成仍存在关键技术挑战，传统工程材料/结构与生物材料/结构之间的刚度/几何等多方面的不匹配可能导致刚性的机械约束、损伤性的剥离或穿透。
图1. 生物启发的三维柔性器件与功能系统概览
凭借多样的、精巧的和长期优化的生理机制、生物材料、生物结构与运动模式，自然生物为科学家和工程师提供了重要的灵感源泉。在此背景下，三维柔性器件与功能系统的发展同样可以从自然生物中汲取灵感，从而为诸多关键挑战提供巧妙的解决方案。三维仿生柔性器件的设计与制备主要涉及三个关键环节，分别是仿生设计概念的探索、先进三维制备方法与实验技术的开发以及面向实用场景与需求的应用（图1）。具体来说，阐明目标生物（如动物、植物与微生物等）的微观结构构造与结构-功能关联原理至关重要，其通常涉及多学科的表征方法（如形态观察、生物解剖、显微表征与力学测试等） （图2）。进一步的，需要选择或开发匹配的三维制备方法与技术用以实现三维柔性器件与功能系统。近年来在仿生器件的三维制备方法方面取得了显著进展，包括直接三维制备方法（如三维打印技术、激光剥蚀技术和三维模板技术等）和三维组装方法（如基于智能材料的三维组装方法和力学引导的三维屈曲组装方法等）。最后，三维仿生柔性器件与系统（如三维传感器件、能量收集器件、光电器件、软体机器人和生物医学器件等）的设计应立足于实用需求，聚焦于不同领域“杀手级”器件应用的开发与推广。
图2. 自然生物中典型物理特征的定量总结，包括典型生物结构的特征尺寸与表面形貌（A）、典型生物材料和工程材料的模量分布（B）和典型动物的运动速度与体长（C）
近日，清华大学航院、柔性电子技术实验室张一慧教授团队在《国家科学评论》（National Science Review，NSR）上发表题为“Bioinspired 3D flexible devices and functional systems”的综述文章。该工作系统总结了三维柔性器件与功能系统的仿生设计概念、结构-功能关联原理、代表性制备方法及其在智能感知、能量收集、光电探测、柔性驱动和生物医疗等多个前沿领域的应用。该工作深入讨论了该类器件设计、制备与应用方面的关键挑战，潜在的解决方案与研究机遇（图3），为实现具有精确定制的几何构型、增强的机械/电学性能和融合式物理/人工智能的仿生三维器件与功能系统提供有益的启发。

图3. 三维仿生柔性器件设计与制造中的关键挑战和潜在解决方案，包括可精确复刻生物形貌的三维结构定制化设计（A ~ C）、可软硬材料无缝融合的三维界面集成策略（D ~ F）、具有增强物理智能的混合生物电子系统（G ~ I）和具有嵌入人工智能的自主三维电子系统（J ~ L）
新型三维仿生柔性器件和功能系统的发展依赖于仿生概念、结构-功能关联原理、功能材料、三维制备方法等多方面的协同创新。通过解决该领域的关键挑战，有望开发具有多样化和非凡功能的三维柔性器件与功能系统，以满足不断增长的智能感知、健康监测和人机交互等多个领域的实用需求。
清华大学航院张一慧教授为该文章的通讯作者。清华大学航院2022届博士毕业生程旭和航院2019级博士生沈张明为文章的共同第一作者。该研究成果得到了国家自然科学基金委原创探索计划项目、国家杰出青年科学基金项目、科学探索奖、清华大学国强研究院基金等项目的资助。
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