【研究单位】清华大学航天航空学院

【课题来源】国家自然科学基金优青项目和面上项目、中组部“青年千人计划”

【平台使用】

非常规可重构三维微结构组装方法设计是基于ABAQUS有限元仿真平台，对三维结构的组装变形过程进行仿真分析；结合课题组前期设计基础，对结构的拓扑构型以及加载路径进行优化，最终实现三维微结构非常规可重构组装。整个过程对计算资源需求较高，清华高性能计算平台的“探索100”集群系统，为项目的顺利开展提供了条件。

因本课题的研究工作的前期设计部分，需要进行大量的数值计算工作。如果计算资源不足，将极大的影响本项目设计工作的开展，严重影响项目进度。同时，部分模型结构复杂， 所需计算成本较高。高性能计算平台为本课题组的研究提供了500000核小时的计算资源，我们的主要算例都是在高性能计算平台上运行的。高性能计算平台为我们的课题研究提供了诸多便利，提升了设计效率，使得本课题的方案得以实现。

【成果说明】

可重构三维结构在生医器件、微机电系统、机器人和超材料等众多领域具有广泛应用，对科学研究和技术进步起到了关键的推动作用。然而，现有的可重构三维结构的成形技术较为局限，在结构尺度和材料类型这两个关键问题上仍无法兼顾，主要体现在无法适用于微纳米尺度或高性能电子材料，这在很大程度上限制了可重构三维微电子器件的发展。

本项目提出并发展了一种利用弹性组装平台的加载路径对三维细微观结构几何拓扑进行可逆调控的非线性屈曲力学新方法，进而设计并实现了自适应射频电路、可隐身微型天线等非常规可重构器件。

本项目创建并提出了一种基于多稳态屈曲力学的可重构三维结构成形方法。该方法将二维薄膜图案通过压缩力的作用变形成目标三维结构，并通过改变压缩变形的路径实现三维结构在不同构型之间的可逆切换。这一技术不但能应用于多种特征尺度，而且与现代化微电子制备工艺相兼容，适用于导体、半导体、绝缘体等各种材料类型甚至集成电路系统的构建。

本研究首先阐述了多稳态屈曲力学方法的设计概念及三

图1：两种可重构三维细微观结构的重构过程（上图展示了微型“章鱼”与“蜘蛛”之间的可逆重构过程；下图展示了微型“房子”与“篮子”之间的可逆重构过程）。图案化的二维结构经历双向同时压缩，变形为左侧的“章鱼”或“房子”型结构；经历分布压缩，则变形为右侧的“蜘蛛”或“篮子”型结构。

图2：六个可重构三维细微观结构的结果。构型I对应基底双向同时卸载时得到的组装结果，构型II对应基底分布卸载时得到的组装结果。前四个结构的比例尺表示400微米，其余表示4毫米。

此外，根据该方法成形的可隐身微型天线，具有极大的通讯频率范围（6 GHz~30 GHz），并且可以实现工作和隐身两种模式：在工作模式下，天线可以与外界进行通讯；而在隐身模式下，天线由于电磁屏蔽效应，其通讯效率大大降低，因而很难被外界探测到（如图3所示），在隐身军事侦察等领域具有重要应用前景。

图3：可重构隐身天线的制备与设计。天线在Shape I以及II两种状态下表现出不同的电磁学特性，使同一拓扑构型在不同的加载路径下具备了信号发射以及隐身两种不同的特性特性。

相关研究成果作为封面文章，发表在国际著名期刊《Nature Materials》 。

【论文】

Fu H, Nan K, Bai W, Huang W, Bai K, Liu F, Zhou C, Wang J, Liu Y, Han M, Yan Z, Luan H, Zhang Y, Zhang Y, Zhao J, Cheng X, Li M, Lee J, Liu Y, Fang D, Li X, Huang Y, Zhang Y, and Rogers JA. Morphable 3D Mesostructures and Microelectronic Devices by Multistable Buckling Mechanics. Nature Materials. 2018,17：268-276.(封面文章)