1天前 “平-立”状态解耦，武汉大学李洋团队提出三维微结构加工新方法，简化三维多模态传感器的大批量制造流程 | Science Advances

作者：Alex     出品：机器人大讲堂

复杂的三维功能结构，一定要用三维的工艺制造吗？

当传感器结构越来越精细，功能集成度越来越高，传统三维工艺的短板就愈发明显。结构越精细，流程越长；功能越复杂，加工越难；一旦涉及柔性基底、导线、电极和传感单元的集成，制造难度还会进一步增加。近日，武汉大学李洋教授团队在 Science Advances 发表题为：“Architecting three-dimensional reconfigurable matter from pop-up kirigami with programmable multistability” 的研究论文，提出了一种弹出式立体剪纸结构（Generalized Pop-up Kirigami）。

这项工作的核心问题很朴素：能不能用相对简单的二维加工方式，做出复杂、可编程、可重构的三维功能结构？

换句话说，复杂的三维结构不一定要在三维状态下制造。它可以先是一张二维薄片。在这张薄片上，我们可以完成切痕、折痕、电极、导线和传感单元的加工；随后，通过结构变形，让它从平面状态弹出为三维形态，并稳定保持在预设构型中。这意味着：

制造是二维的，功能是三维的。

图1：弹出式立体剪纸结构的四点优势：（1）易加工；（2）形态可编程；（3）多稳态（>2）;（4）可互联平铺

01.

为什么三维形态对力学感知很重要？

如果只是做一个普通压力传感器，平面结构也可以完成。但很多高级触觉功能，特别是多模态的感知能力，天然需要三维结构。

以电容式三维传感器为例，当传感器的微结构处于三维展开状态时，外部压力会引起结构变形；而变形会因为空间位置不同、受力路径不同，而进一步引发不同的电信号响应。这使得它不只是感受到压力，还可以仅仅依靠单个传感器单元即可判断力的作用方向和形式。

因此，三维结构不是装饰，而是功能本身的一部分。它让传感器从一个简单的平面电学元件，变成了一个具有空间力学响应能力的三维功能系统。

图2：典型的具有三维微结构的触觉传感器及其具备的多模态感知能力

02.

化繁为简：把三维柔性电子器件变成二维加工问题

传统三维柔性电子器件的难点在于：三维结构、柔性基底、导线、电极、传感元件往往需要同时集成。一旦结构不是平面的，加工过程就会变得复杂。

而这项工作提供了一种不同路径：先在二维柔性基材上完成所有加工，再通过结构弹出获得三维功能。在论文展示的三维触觉传感器中，研究人员使用聚酰亚胺薄膜作为柔性基底，通过激光切割形成结构切痕，并在平面状态下加工导电层、电容单元和电路连接。随后，这个平面器件被驱动弹出，形成三维触觉传感结构。

图3：三维柔性电子器件的二维加工方式

这一步非常关键。因为在二维状态下，可以使用许多成熟、低成本、可规模化的工艺，例如：激光切割、印刷电路、导电墨水直写、掩膜涂覆、柔性薄膜层压、平面电极图案化等。也就是说，复杂的三维传感器并不一定需要复杂的三维制造，它可以被转化为一个更容易处理的问题：如何在二维基材上设计结构切痕和功能图案，使其展开后形成目标三维功能结构。这正是弹出式立体剪纸（Pop-up Kirigami）的最重要的应用价值之一。

03.

可编程：不只是弹起来，而是按设计弹起来

很多弹出式结构都可以从平面变成三维。但本文进一步解决的问题是：能不能控制它弹出的方向、姿态、扭转角和稳定状态？

传统弹出式结构系统往往依赖几何对称性，因此展开方向通常是垂直的，稳定状态也相对有限。这项工作的关键在于，它不再把“对称性”作为必要条件，而是抓住了更本质的设计原则，即：多个机构回路只需要在若干离散稳定态上满足结构相容性条件。

基于这一点，团队设计出了非对称的弹出式剪纸，使其在展开后具有预设的倾斜角度和扭转姿态。这使得单元不再只是“向上弹出”，而是可以：

向指定方向弹出；

形成指定的弹出姿态；

产生受控扭转；

拼接成空间曲线；

阵列成可重构曲面。

进一步地，论文还展示了三稳态弹出式剪纸单元，使结构可以在一个平面态和两个不同空间态之间切换，相比于现有的双稳态弹出式结构系统，这种多稳态的结构的应用范围也大大扩展了。

图4：一种三稳态弹出式剪纸单元的设计方法——直接从双稳态单元中构造

04.

高效存储：把三维结构“压缩”进二维薄片

这种可以在平面或紧凑状态下存储、在需要时展开成三维形态的弹出式可展结构。同时对于可展开阵列、可重构天线、机器人结构和空间部署系统具有潜在价值。在这些可展结构中，一个关键指标是：

结构在不用时能不能尽可能小，在使用时能不能展开得足够大、足够复杂。

弹出式立体剪纸结构的一个重要特点，就是它具有稳定的平面态和稳定的三维展开态。

在平面态下，结构接近二维，可以像薄片一样堆叠、存放和运输；

在展开态下，结构可以形成拱形管、扭转管、曲面阵列等复杂三维形态。

这并不是简单的“压扁”，更准确地说，它是一种：平面/准平面紧凑存储构型 + 三维可编程工作构型。这项工作所展示的不同空间形态的管状结构就是典型例子。多个剪纸单元在折叠状态下可以形成紧凑堆叠，而部署后则变成具有空间曲率和扭转的三维管状结构。

图5：高可展比的管状结构，管状形态可定制。

这种高可展比的部署能力对于可展结构尤其重要。例如：航天器中的可展开天线、阵列和支撑结构，需要在发射阶段尽量压缩体积；便携式机器人和柔性装置，需要在携带或待机时保持小体积；大面积功能表面，可以先以平面形式制造和储存，再在使用时部署成三维曲面。因此，二维形态的价值不仅在于“易加工”，还在于“高效存储”，这让复杂三维功能结构具备了高密度存储和按需部署的可能。

05.

二维制造，三维功能

回到最开始的问题：能不能用相对简单的二维加工方式，做出复杂、可编程、可重构的三维功能结构？

李洋教授团队的这项工作给出了一个有力回答。它把二维薄片变成三维结构，把平面制造变成空间功能，把紧凑存储变成按需部署，把复杂三维柔性电子的制造难题、转化为二维基材的结构编程问题。

未来，这类弹出式剪纸平台有望进一步走向小型化、阵列化和功能集成化，用于三维电子皮肤、可重构智能表面、柔性机器人、可展开功能阵列和机械超材料等场景。也许未来的三维功能器件，最开始并不是一个复杂的三维物体。它可能只是一张薄片。但这张薄片里，已经写好了它未来展开成三维构型的方式。