近日，清華大學航天航空學院張一慧課題組在《國家科學評論》（National Science Review）上發(fā)表了題為“Electro-mechanically controlled assembly of reconfigurable 3D mesostructures and electronic devices based on dielectric elastomer platforms”的研究論文。

該工作原創(chuàng)性地采用介電彈性體平面驅動器作為力學引導的三維屈曲組裝平臺，通過對介電彈性體表面電極圖案和應變限制纖維排布的設計，結合電驅動和力電耦合驅動兩種模式，實現(xiàn)了傳統(tǒng)的力學引導屈曲組裝方法中彈性組裝平臺無法實現(xiàn)的復雜應變場分布，以及快速加載、分步加載、局部加載和應變隔離等特點。這種組裝策略為實現(xiàn)三維微結構的精確、快速（~1 s）組裝與重構提供了全新的實現(xiàn)途徑，并適用于多種功能材料和特征尺度。同時，該策略對無線通訊領域中三維微電子器件的快速組裝與重構提供了新的思路，具有重要的科學意義和應用前景。

在力學引導的屈曲組裝方法中，此前的工作中提出了多種設計策略來提高三維構型的復雜度（如引入折紙、剪紙、多層設計等概念）。更進一步，為實現(xiàn)非均勻分布的復雜三維結構組裝，引入了具有厚度/彈性模量空間變化和具有圖案化剪紙設計的彈性組裝平臺。但在現(xiàn)有屈曲組裝方法的研究中，其組裝過程均是基于對預拉伸彈性基底變形的整體調控。這就使得在三維結構的組裝過程中，同一彈性基底上不同三維結構的面外屈曲變形是整體且同步發(fā)生的。總體來說，其局限性體現(xiàn)在兩方面：其一，傳統(tǒng)的彈性組裝平臺無法實現(xiàn)在同一組裝平臺下的局部和分步組裝；其二，很難實現(xiàn)從某一三維構型到另一三維構型的直接快速重構。 為打破上述局限性，張一慧課題組將介電彈性體平面驅動器作為力學引導屈曲組裝方法的組裝平臺，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅膠基底。其組裝過程如圖1A所示。首先，在預拉伸的介電彈性體薄膜上下表面布置圖案化電極；然后，將相應的二維前驅體結構轉印并選擇性粘接在介電彈性體薄膜上表面；最后，對圖案化電極通電。由于電致變形作用，介電彈性體薄膜的電極區(qū)域會發(fā)生面內擴張，這種變形會引起二維前驅體結構在粘接點處發(fā)生面內位移，從而誘導二維結構發(fā)生面外屈曲，進而形成三維結構。為了增加變形場的復雜性，這里可以嵌入應變限制纖維來實現(xiàn)介電彈性體薄膜在電極區(qū)域的非等雙軸變形，如圖1B所示。該組裝策略同樣適用于多種功能材料（金屬、聚合物、復合材料等）和特征尺度（條帶寬度：180 μm– 6 mm；薄膜厚度：8 μm– 50mm）。

圖1：A圖為基于介電彈性體（DE）驅動平臺的電控三維組裝過程示意圖。B圖為嵌有應變限制纖維（紅色）的介電彈性體電致變形示意圖。 復雜的電極圖案與應變限制纖維排布有利于實現(xiàn)豐富的基底應變場和多樣的三維構型。本文給出了力電耦合分析及設計方法，通過理論、有限元仿真和實驗對該設計方法的有效性進行了驗證。同時，給出了相應的有限元仿真方法，與實驗、理論的對照結果表明，該仿真方法具有較好的可預測性。 基于上述介電彈性體組裝平臺，我們可以對多種二維前驅體結構直接進行電驅動組裝。圖2A展示了在不同電極圖案和纖維排布下的多種電驅動組裝實例，其中，有限元仿真與實驗結果對比良好。圖2B展示了利用電控三維組裝實現(xiàn)的類青蛙仿生結構。

圖2：A圖為基于介電彈性體驅動平臺的電控三維組裝構型展示，其中灰色區(qū)域為電極。比例尺為6 mm。B圖為利用電控三維組裝得到的類青蛙結構。比例尺為10 mm。

另外，通過對組裝平臺內不同子電極進行分步通電，可以使該組裝策略與加載路徑控制策略相結合，獲得過去很難實現(xiàn)的可重構三維結構。圖3展示了在介電彈性體組裝平臺下，利用加載路徑策略實現(xiàn)三維可重構組裝的一個例子。其中有兩組電極（A和B），基于路徑I（[VA=VB=0]→[VA=5000V，VB=3100 V] →[VA=5000V，VB=5000 V]）可以獲得形狀I（向下屈曲）；基于路徑II（[VA=VB=0]→[VA=3100 V，VB=5000 V] →[VA=5000 V，VB=5000 V]）可以獲得形狀II（向上屈曲），且兩種構型（I和II）可以互相轉換。值得注意的是，上述加載路徑是傳統(tǒng)組裝平臺無法實現(xiàn)的。

圖3：基于介電彈性體組裝平臺的雙加載路徑可重構組裝實例。比例尺為9 mm。 進一步，這里可以采用力-電耦合的驅動模式，即首先對預拉伸介電彈性體薄膜進行一定程度的應變釋放（機械組裝），這時薄膜表面的二維前驅體結構會受到基底壓縮屈曲的作用形成第一種三維構型；隨后，在此基礎上對電極通電，進行電驅動組裝，進而形成第二種三維構型。這樣，我們可以很容易地通過電極電壓的通斷，實現(xiàn)至少兩種不同三維構型之間的快速切換，即快速重構。動圖4展示了兩種設計下，不同三維構型的快速重構。圖5A展示了一種可重構三維結構設計。在兩種不同的機械壓縮應變下，該設計的兩種重構構型均不同。圖5B展示了一種周期可重構三維結構設計。對A、B、C三種電極的單獨通電可以實現(xiàn)該結構的局部加載，即對某一電極的單獨通電不會影響結構其他部分的變形。

圖4：動圖上為穹頂結構動態(tài)可重構組裝動圖。動圖下為類昆蟲結構動態(tài)可重構組裝動圖。

圖5：A圖為基于力-電耦合驅動模式的一個可重構三維結構實例。B圖為基于力-電耦合驅動模式的一個周期網(wǎng)格狀三維可重構結構。比例尺為10 mm。

上述研究表明，該組裝策略為復雜三維結構的快速組裝與重構提供了很高的自由度。基于此，研究者設計并制備了一種可重構三維電容器件。基于介電彈性體組裝平臺，可以實現(xiàn)該三維電容器結構的快速重構，從而實現(xiàn)其電感-電容（LC）電路多種狀態(tài)間的快速切換。圖6A展示了該三維電容器結構力-電耦合組裝的有限元仿真示意圖。圖6B展示了其中四種狀態(tài)下電路的回波損耗曲線，結果表明，該LC電路實現(xiàn)了諧振頻率在一定范圍內的快速可調控性，同時，動圖6C中LED燈在不同頻率信號下的亮度直觀地展現(xiàn)出了LC電路諧振頻率的偏移。

圖6：用于電感-電容（LC）射頻（RF）電路中的可重構三維電容器。A圖為該器件在力-電耦合加載下的一種可重構展示（有限元仿真）。B圖為該可重構LC-RF電路在四種狀態(tài)下入射信號的回波損耗曲線（S11）。

圖7：LED演示實驗。動圖上為不施加電壓時，不同頻率信號下LED亮燈情況。動圖下為對三個電極施加電壓時，不同頻率信號下LED亮燈情況。 清華大學航院長聘副教授張一慧為本文的通訊作者。清華航院2017級博士生龐文博為本文的第一作者。合作單位包括浙江大學李鐵風教授課題組和合肥工業(yè)大學黃文教授課題組。該研究成果得到了國家自然科學基金項目、清華大學自主科研計劃和清華信息科學與技術國家實驗室的支持。