仿生软质三维点阵材料的设计、制备与力学研究

As one of the artificial regular cellular materials, soft three-dimensional (3D) lattice materials can achieve some extraordinary mechanical properties that do not exist in natural soft materials, such as high toughness, high scalability, nonlinearity, J-shaped stress-strain curves and controllable acoustic band gaps etc. These mechanical attributes hold broad application prospects in tissue engineering and flexible electronic medical devices. In this project, a design approach of soft 3D lattice materials is proposed, by adopting periodically arranged helixes to serve as building blocks that extend into different 3D lattice configurations. The mechanical properties and controllable acoustic band gaps of bio-inspired soft 3D lattice materials will be investigated by both finite element analyses (FEA) and experimental method. The influence of the geometric dimensions, space topology and defects of structures on J-shaped stress-strain curves will be studied. Based on these results, an inverse design approach of the bio-inspired soft 3D lattice materials will be developed, which can yield stress-strain curves precisely matched with those of different tissues and organs. Acoustic band gaps of bio-inspired soft 3D lattice materials under some large deformations will be analyzed. The desirable band gaps will be tuned actively through some controlled deformations. This research will provide systematic guidelines for artificial organs and tissues, flexible electronic devices and biological health monitoring.

软质三维点阵材料作为一种人工设计的有序多孔材料，能够实现天然材料所不具备的超常规力学特性，例如与有机生物体类似的高韧性、高延展性、非线性、J型应力应变曲线以及可调控的声波带隙等，在组织工程和柔性电子医疗器件等方面具有广阔的应用前景。本项目提出一种以螺旋体为基本单元，形成多种复杂空间拓扑构型的仿生软质三维点阵材料的设计方法，对各种三维点阵材料的力学性能以及可调控声波带隙特性采用有限元分析和实验方法两种手段进行研究。通过研究几何尺寸、空间构型和缺陷态等对仿生软质三维点阵材料力学特性的影响规律，建立可匹配不同生物体组织器官的应力应变曲线的仿生软质三维点阵材料逆向设计方法。研究三维点阵材料的不同几何参数以及在不同变形下的声波带隙特性，实现声波带隙的大幅度主动调控。研究成果将为人造组织器官以及柔性电子器件与生物有机体组织器官自然舒适地结合等方面提供系统性指导，为生物体组织器官的结构健康监测提供依据。

软质三维点阵材料作为一种人工设计的有序多孔材料，能够实现天然材料所不具备的超常规力学特性，例如与有机生物体软组织器官类似的高延展性、非线性、J型应力应变曲线以及可调控的声波带隙特性等，在组织工程和柔性电子医疗器件等方面具有广阔的应用前景。软质生物组织J形应力应变响应行为与生物组织内部微结构由弯曲向拉伸变形模式转变的力学机制紧密相关，受此启发，二维仿生设计工作以马蹄形微结构为基本单元，结合二维周期性点阵拓扑，设计并制备了可以精确匹配人体皮肤应力应变曲线的软质二维仿生材料。但受限于马蹄形微结构的二维拓展性、三维微结构的复杂性，仿生软质三维材料的研究一直具有很大的挑战性。本项目以三维螺旋微结构为基本单元，通过不同空间拓扑排布构造出了一类具有缺陷不敏感特性的仿生软质三维点阵材料。应用有限元分析和实验验证相结合的方法，研究了螺旋微结构主要几何参数和空间点阵类型对这类仿生软质三维点阵材料J形应力应变曲线以及声学带隙特性的影响规律，通过调控螺旋微结构几何参数和不同空间点阵，实现了这类仿生软质三维点阵材料高拉伸应变100%到600%大范围的主动调控。建立了可匹配不同生物体组织器官非线性应力应变曲线的逆向设计方法，并且在误差范围5%以内精确复现了生物组织各向异性J形应力应变曲线。通过磁控溅射技术集成导电材料，将金属薄层覆盖在仿生软质三维点阵材料上，导电三维网状材料在压缩和拉伸变形时将产生力电信号的转换。由于结合当器件受压较小压应变时，其压缩过程中螺旋微结构间接触面积迅速增大，在此受压范围内该器件的灵敏度较高，而当器件受压较大压应变时，器件的灵敏度较低。实现了具有软质生物组织器官非线性力学特性的三维柔性传感器。这些成果人造组织器官，柔性电子器件与生物体三维组织结构自然舒适地结合等方面提供了系统性指导，在组织工程、软体机器人、生物集成电子器件等领域有着广阔的应用前景。