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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、光电探测、柔性驱动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（如压力、应变、振动与温度等）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（尤其是分别处于身体快速发育与衰老期的婴儿与老人）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。
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National Science Review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，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。一般而言，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）。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。
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、代表性三维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，能够为实现具有精确定制几何构型、增强机械/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。
自然生物的典型物理特征
自然生物无与伦比的多样性为三维仿生柔性器件与功能系统的设计与制备提供了无尽的灵感源泉。本工作首先对自然生物的典型物理特征进行了定量总结，包括特征尺寸、表面形貌（图2）、材料模量（图3）与运动速度（图4）。
具体来说，三维多层级结构在生物体中广泛存在，且其复杂度随着特征尺寸的增加而显著增加，例如遵循生物大分子-细胞器-细胞-组织-器官-系统的多层级构造规律的人体结构（图2）。生物结构的生理功能通常与其特征尺寸以及特定的三维几何构型密切相关，这也是在设计仿生三维器件与功能系统中需要考虑的两个关键变量。另外，具有多尺度和多层级特征的生物结构表面形貌对于疏水性、亲水性、可逆粘附、减阻、水分富集、结构光等多种生物功能至关重要，这也为三维柔性传感器件、能量收集器件和光电器件等提供了宝贵的启发。
图2. 典型生物结构的特征尺寸与表面形貌
本工作对比了生物组织与柔性电子器件常用工程材料的杨氏模量，充分展示了二者显著的软硬不匹配特征（图3）。针对这一问题，近年来所探索的解决方案包括：（1）建立基于传统工程材料与微结构构元的柔性化设计策略（如剪纸结构、折纸结构、分形结构和三维屈曲结构）；（2）开发兼具导体/半导体性能和柔软可拉伸性能的新型软材料合成方法；以及（3）针对天然生物材料的改性处理技术。值得一提的是，蛋白质基生物材料（如胶原蛋白、明胶和纤维蛋白等）和多糖基生物材料（如纤维素、壳聚糖和海藻酸盐等）具有极佳的生物相容性，能够有效减弱与活体细胞/组织接触时的排异反应，这对于生物医学设备尤为重要。
图3. 生物组织与柔性器件常用工程材料的模量分布
适应于不同的生存环境，动物演变出了各种不同的解剖结构和运动模式,例如人类、硬骨鱼类和鸟类分别依赖腿、鳍和翅膀实现陆地奔跑、水中游泳和空中飞行。本工作总结了典型哺乳动物和节肢动物的相对运动速度，清晰地显示了二者运动速度的分布范围与运动能力的显著差异（图4）。不同动物的运动模式能够为三维仿生软体机器人、低侵入度的微创手术和体内药物递送提供生物学范例。此外，探索自然生物的其他物理特征，并将其应用于人造材料、结构与功能系统中同样具有非凡意义。例如，许多生物体内普遍存在具有高孔隙率的三维多孔微结构，这赋予了这些生物低密度和轻质高强特性。同时，仿生多孔设计能够应用于开发具有高灵活度的三维微型飞行器和高灵敏性的三维传感器。
图4. 典型哺乳动物和节肢动物的相对运动速度
仿生柔性器件的三维制备方法
由于自然生物的多样且复杂的物理特征（包括大跨度的特征尺寸、高复杂度的结构几何拓扑、具有多层级特征的表面形貌、具有极低模量的生物软材料以及独特的变形/运动模式），将生物功能引入人造系统是一项极具挑战性的任务。基于先进微纳加工技术和先进功能材料的三维制备方法为仿生设计与三维柔性器件与功能系统提供了关键的桥梁与纽带。仿生三维器件的制备方法可以分为两大类，分别是直接三维制备方法和三维组装方法。
该工作以图表的形式详细总结了代表性的三维制备方法、涉及的典型工艺、适用的材料种类、主要优势、关键局限与典型应用。概括来讲，三维打印、激光剥蚀和三维模板是三种典型的直接三维制备方法，其中三维仿生结构的实现不涉及任何二维前驱体。例如，基于成熟的三维打印技术（如DIW、FDM、DLP、TPL、LAPμSL和CLIP等），可以以自下而上的形式直接构建具有任意几何形状和广泛特征尺寸的三维仿生结构，但其会受到打印材料种类的限制（例如单晶硅等无机半导体材料的直接三维打印难以实现）。三维组装方法代表了三维仿生柔性器件与功能系统的另一种重要制备路径，其涉及二维前驱体结构的预先制备及后续的三维组装过程。智能软材料能够在特定环境刺激下自主可控变形，从而为仿生结构的三维组装提供适当的驱动力。
基于不同的驱动与变形机制，科学家们已经开发出多种主动驱动材料与方法，包括可溶胀材料（如水凝胶和含水凝胶填料的复合材料）、热致变形的相变材料(如形状记忆聚合物/合金和液晶弹性体等)、含有光热纳米颗粒（如石墨烯、碳纳米管和金纳米颗粒等）或光活性基团（如偶氮苯等）的光敏材料和基于铁磁颗粒或柔性导线的电磁驱动方法。最近发展的力学引导的三维屈曲组装方法则为三维仿生柔性器件与功能系统的制备提供了一种全新的解决方案，其利用面内压缩或拉伸驱动的二维前驱体结构屈曲变形实现精确可控的三维组装，适用于几乎任何材料种类（如无机半导体、金属、聚合物、压电材料和各种异质材料等），具有非常广泛的结构尺度范围（从亚微米到米）和极其丰富的三维几何拓扑构型，并且能够与现代平面微加工工艺完美兼容。
生物启发的三维传感器件
对周围环境即时且敏锐的感知是多数自然生物的基本能力之一。通过将独特的仿生结构和结构-功能关联原理引入到三维仿生柔性传感器件的设计中，有望实现优异的传感性能（如高灵敏、大量程和多通道感知等）。根据具体的应用场景，三维仿生柔性传感器件可以采用不同的传感机制实现压力、应变等物理量的测量，包括压阻效应、压电效应、铁电效应、电磁效应、电容效应和摩擦电效应等。
本工作首先根据仿生结构类型将三维仿生传感器件分为四大类，分别是基于三维缠绕微纤维、三维曲面微裂纹、三维多层级微图案和三维多孔微结构的仿生柔性传感器件（图5）。通过介绍每一类别中典型传感器件的仿生设计原理与传感性能，突出了其所蕴含的独特的结构-功能关联原理。进一步的，本工作采用表格的形式总结了近年来典型的三维仿生柔性传感器件的重要进展，包括其感知机制、仿生结构、功能材料、灵敏度、测量范围和循环测试的鲁棒性。
图5. 生物启发的三维传感器件，包括基于三维缠绕微纤维的传感器件（A ~ C）、基于三维曲面微裂纹的传感器件（D ~ F）、基于三维多层级微图案的传感器件（G ~ I）和基于三维多孔微结构的传感器件（J ~ L）
生物启发的三维能量收集器件
在自然系统中，许多植物表现出趋光性，并能够通过叶绿素高效地将光能转化为生物能。例如，硅藻可以通过其三维二氧化硅多孔外壳来捕获阳光，从而提高光合作用效率。近年来，受植物、动物和微生物的能量收集行为的启发，科学家们已经开发出多种三维仿生能量收集器件，用于将光能、热能和机械能转化为电能，为物联网设备和生物医学设备（特别是人体植入式设备）供能，展现出广阔的应用潜力。
本工作总结了三维仿生能量收集器件的最新进展，并重点分析了三维仿生结构在特定形式的能量收集中所扮演的关键角色（图6）。例如，模仿向日葵等植物的趋光结构与生理机制，将三维仿生趋光结构与太阳能电池相结合，可以显著提高光能收集效率；通过引入仿生三维散热结构或仿生无源辐射制冷结构，可以在微环境中创造较大的温度梯度，从而充分利用人体体表的热交换实现高效的热能能量收集；利用三维仿生纳米孔洞和微通道，可以将流体机械能转化为电能；利用三维框架或薄膜结构的往复变形/运动行为，可以基于不同物理机制（如压电效应、摩擦电效应和电磁效应等）实现高效的机械能能量收集。
图6. 生物启发的三维能量收集器件，包括基于三维趋光结构的光能收集器件（A ~ C）、基于三维散热结构的热能收集器件（D ~ F）、基于三维泡沫结构的流体机械能收集器件（G ~ I）和基于三维可变形框架/薄膜结构的机械能收集器件（J ~ L）
生物启发的三维光电器件
为更好的运动与捕食，多数动物进化出了独特的光学结构，例如减反射蛾眼、高动态敏感度的蜻蜓复眼、自发光的萤火虫灯笼、色彩斑斓的虎甲虫外壳与蝴蝶翅膀。这些有趣的光学结构及其独特功能启发了众多三维光电器件的开发，并已被应用于先进光学成像、光捕捉与提取和结构着色等多个领域。其中，生物启发的三维电子眼（包括单腔室布局和复眼布局）在机器视觉、人类假体和自动驾驶车辆等领域具有广阔的应用潜力（图7）。
具备三维单腔室布局的眼睛广泛存在于脊椎动物与螯肢动物中，相对应的电子眼的开发集中于探索人造视网膜的设计方法，已经开发出三维岛桥网络设计、剪纸与折纸设计和纳米线阵列设计等多种设计策略，逐步降低像素尺寸并显著提高电子视网膜的图像分辨率。具有复眼布局的眼睛则广泛存在于节肢动物中，其常常具有极宽的视野、高运动敏感度，极低的几何畸变和几乎无限的景深。科学家们致力于通过改变复眼的几何构型实现更大的视野，例如仿招潮蟹复眼的两栖电子眼可以实现高达320度的极宽的视野。进一步的，本工作总结了代表性的三维仿生电子眼与生物眼睛的关键性能参数，包括像素数量，像素尺寸，视野和探测光谱，并指出未来机会在于追求更小的像素尺寸（< 30 μm）、更多的像素数量（> 103）、更大的视野（单腔室布局和复眼布局分别达到180°和360°）以及更宽广的探测光谱（如紫外波长和红外波长）。
图7. 生物启发的三维电子眼，包括仿生三维单腔室电子眼（A ~ F）、仿生三维复眼（G ~ I）以及像素数量、像素尺寸、视野和探测波长的定量总结（J ~ L）
生物启发的三维软体机器人
生存在不同环境中的自然生物进化出了多样的运动模式，例如在陆地环境中的爬行、滚动和跳跃；在水域环境中的游泳、漂浮和微纤毛辅助的摆动；在空中的主动飞行、悬停和被动下落。受这些高环境适应性的运动模式的启发，科学家们基于先进的驱动设计策略（包括气动/液压驱动、智能软材料驱动、化学驱动和电磁驱动等），开发出多种新型三维仿生软体机器人。本工作根据其运动环境将三维仿生软体机器人分为四类，分别是三维陆栖、水栖、飞行和两栖跨介质软体机器人，并重点总结了仿生三维结构与驱动模式的关联原理及其具体的应用场景。
图8. 生物启发的三维陆栖软体机器人，包括三维仿生爬行机器人（A ~ E）、三维仿生滚动机器人（F ~ H）和三维仿生跳跃机器人（I ~ K）
概括来看，陆栖机器人可分为三类，分别是爬行机器人、滚动机器人和跳跃机器人，其中爬行机器人的运动模式可进一步细分为三类，分别是基于关节型腿的行走模式（如仿蚂蚁机器人）、基于弯曲身体的爬行模式（如仿水螅机器人）和基于可收缩身体的蠕动模式（如仿蚯蚓机器人）（图8）。水栖机器人可以分为两类，分别是基于摆动鳍的游泳机器人和基于微纤毛的游泳机器人，其分别适用于中等雷诺数和极低雷诺数的流体环境。三维仿生飞行器同样可以分为两类，分别是模仿风传种子的被动下落型飞行器和模仿鸟类翅膀的主动飞行器（图9）。此外，横跨不同介质（如陆地、水域和空中环境等）的运动能力是三维软体机器人的一个重要且极具前景的研究方向。生物的跨介质运动模式为三维两栖机器人的设计与制备提供了有用的指导，其设计方法通常涉及将多个独立驱动系统集成于一体以适应不同的环境介质，或者对单一驱动系统进行巧妙的重构以适应新的环境介质。
图9. 生物启发的三维水栖软体机器人（A ~ F）和飞行软体机器人（G ~ L），分别包括鱼鳍启发的游泳机器人 （A ~ C）、纤毛启发的低雷诺数游泳机器人（D ~ F）、风传种子启发的被动飞行器（G ~ I）和翅膀启发的主动飞行器（J ~ L）
生物启发的三维生物医疗器件
由于人体组织和器官的柔软、非平面和对环境变化高度敏感的特性，设计三维生物医疗器件应考虑诸多关键变量，包括与目标组织/器官匹配的三维形状与力学刚度、低生物毒性材料以及在有限的腔内空间内器件的受控运动模式等。从自然生物中获得的灵感在引导定制不同用途的生物医疗器件方面有望发挥重要作用，特别是在体内植入器件方面（如脑机接口、药物递送和人工假肢等）。
本工作总结了生物启发的三维生物医疗器件领域的重要进展，包括具有仿生柔顺性的三维电极界面、基于仿生驻留机制三维药物递送器件、可精确复刻非线性力学响应的三维仿生组织支架和三维仿生假体系统（图10）。其中，在三维仿生支架的设计与制备方面，目前的研究主要集中于模拟真实生物组织的非线性力学响应，尚未有工作综合考虑三维血管网络、神经通路和力学性能。针对该问题，本工作提出了一种可能的解决方案。具体来说，可以采用力学引导的三维屈曲组装方法构建具有全面仿生特性的组织支架，其中基于可溶性生物材料的三维条带网络可以用于构建三维微血管，集成有三维电极界面的条带网络可以用于构建仿生神经通路，并且这些条带网络的非线性力学性能可以基于力学理论与仿真模型进行精确定制。
图10. 生物启发的三维生物医疗器件，包括具有仿生柔顺性的三维电极界面（A ~ C）、基于仿生驻留机制三维药物递送器件（D ~ F）、可精确复刻非线性力学响应的三维仿生组织支架（G ~ I）和三维仿生假体系统（J ~ L）
关键挑战与研究机遇
尽管近年来该领域取得了显著进展，但由于自然生物与人造电子器件之间多方面的显著差别，仍存在诸多的科学和技术方面的关键挑战，包括（1）可精确复刻生物形貌的三维结构定制化设计方法；（2）可软硬材料无缝融合的三维界面集成策略；（3）具有增强物理智能的混合生物电子系统；（4）具有嵌入人工智能的自主三维电子系统。本工作深入讨论了这些关键挑战的重要意义和潜在的解决方案，并介绍了三维仿生柔性器件与功能系统领域值得探索的一些研究机遇（图11）。
例如，生物细胞、组织与器官的三维形状与其生理功能密切相关，典型案例包括具有广角视觉感知功能的半球形视网膜，能够容纳更多神经元的大脑沟回状表面等。精确的形状编程允许构建具有目标曲率和刚度分布特征的三维微电子器件与功能系统，从而贴合或复刻生物组织和器官的曲面形状，这对于监测或模拟生物生理功能是必要的。然而，三维结构与二维前驱体结构的复杂映射关系以及形状转变过程中的强非线性变形行为使其定制化设计极具挑战性。最近开发的基于仿生微点阵的三维曲面定制方法与基于超柔导线的电磁驱动曲面可重构方法为这一挑战提供了潜在的解决方案。但需要注意的是，由于其依赖于整体的弯曲变形及相邻条带间的协调作用，这两种方法在可实现的三维曲面几何构型方面存在限制，难以实现具有多层级特征的复杂三维曲面结构，因此仍需发展新型的定制化设计与制备方法以拓展可实现的曲面拓扑种类。类似的，考虑到难以完全复刻生物体的功能特异性、力量与智能，将活体生物与柔性电子器件相结合将允许开发具有自然生物物理智能（如自主的能量生成与转化、高的驱动功率-重量比、对变化环境的即时反应和自愈合能力等）的生物混合电子系统。但是，到目前为止，生物混合器件的驱动模式仍较为简单，仅涉及单向弯曲、收缩、打开和关闭等基础驱动模式。探索细胞/组织/器官与电子器件的全新三维集成方案以及具有更多刺激电极点位的全新协同控制策略可能是潜在的发展机会，这将能够激发更复杂的驱动模式与受控的生物行为。此外，由于涉及到生物材料与电子材料的融合，生物混合电子器件的长时稳定性和自愈合特性值得进一步研究。
图11. 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是该文章的通讯作者。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。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwad314
课题组简介：
张一慧教授课题组长期致力于三维微纳结构组装、软物质与柔性结构力学、微型机器人等领域的研究，取得一系列原创性成果：提出了利用屈曲力学实现三维微结构组装的原创思想，建立后屈曲分析的双参数摄动展开理论和三维组装的逆向设计方法及实验技术，形成了一套适用于各种高性能材料和复杂几何拓扑的微结构及电子器件三维组装方法体系，并在此基础上研制出多种具有新功能的三维微器件和微型机器人；提出了基于多级点阵结构的网状软材料设计新概念，建立其非线性细观力学大变形理论，发展出可精确匹配生物组织力学性能的仿生材料，以及具有超大负溶胀、热致剪切等非常规性质的力学超材料，为生物集成电子器件的发展和应用提供了一个重要平台。自2015年以来，相关成果发表于Science（2篇）、Nature、Science Robotics、Nature Materials、Nature Electronics、Nature Reviews Materials、NSR（2篇）、Nature Communications（4篇）、Science Advances（8篇）、PNAS（6篇）、JMPS（10篇）、Advanced Materials（11篇）等国际学术期刊。
课题组目前仍有博士后招聘需求，欢迎有电子工程、力学、微电子、机器人、生物医学工程相关学科背景的博士生加入。招聘信息详见：https://www.hy.tsinghua.edu.cn/info/1127/2826.htm
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