吕坚教授课题组《ACS AMI》:双稳态驱动器snap出柔性电子新功能

三维电子（3D electronics）是一种前沿电子器件形式，因其在生物医学、储能、光学、传感器领域有着广泛应用而备受关注。在众多应用场景中，电子器件通常无法重构进而改变其功能。在一些特殊场合，例如太空或海底，电子设备需要利用有限的空间，以不同的三维构型发挥不同的功能。近年来，三维自组装、3D打印技术、智能导电材料为三维电子的可重构提供了新的思路。然而，就现有的可重构三维电子器件而言，主要研究目标是简化复杂的驱动机制和降低对导电材料的苛刻要求。

图1. 双稳态驱动器和可重构 3D 电子设备的制备示意图。

香港城市大学国家贵金属工程研究中心博士后陈舟和太赫兹及毫米波国家重点实验室博士生孔商成，利用柔性双稳态结构实现了三维电子器件的结构重构和功能拓展。双稳态结构具有特殊的力学行为，已被广泛用作软执行器、能量吸收装置、智能开关、微透镜表面等。在这项工作中，拱形双稳态软结构的一侧经过紫外线/臭氧 (UVO) 处理后成为了一种智能双稳态驱动器。由于UVO处理层和未处理层对不同属性的溶剂有溶胀反应，因此致动器能够在溶剂作用下表现出快速突跳（snap-through和snap-back）行为。柔性双稳态结构能够驱动键合于其上的柔性电路板在原始弯曲构型和三维屈曲构型之间反复切换，丰富了电子器件的三维构型，扩展了电子器件的功能，如图1所示。这一思想不仅提供了一种重构三维电子器件的方法，而且丰富了三维电子器件的功能设计思路。

图2. 基于双稳态驱动器的可重构三维结构示例。

承接上述的研究思路，各种柔性器件能够通过双稳态致动器的突跳行为改变其三维构型进而改变器件的功能。我们采用有限元建模和实验验证的办法演示可重构三维电子器件丰富的构型：不同的键合方式衍生出不同的三维构型（图2b-d），不同的叠合方法变换出复杂的三维结构（图2e-h）。三维可重构结构的多样性为三维电子器件的功能拓展提供了大量的设计思路。

图 3.由双稳态结构驱动的频率可重构单极子天线 (ESMA)。

图 3 展示了频率可重构单极子天线 (ESMA)，为可重构射频电子器件的制造策略开辟了新途径。可重构天线可以从工作模式 I可逆地折叠成工作模式 II，如图 3b 所示。众所周知，偶极子或单极子天线的工作频率与其长度成反比。三维天线作为四分之一波单极天线工作，这意味着天线的有效长度是自由空间波长的四分之一。当天线切换至模式 II 后，所呈现构型的天线长度减半，致使天线的工作频率翻倍。

这个工作报道了一种通过双稳态智能驱动器构建三维可重构电子器件的策略。将柔性电子器件引入双稳态智能驱动器，利用柔性智能驱动器对不同溶剂的突跳行为重构柔性电子器件。通过数值和实验系统地研究了致动器的双稳态行为、柔性电子衬底的三维构型。以频率可重构天线为示例，展示了该方法在射频电子领域的应用，并为其拓展至其他应用领域提供有益借鉴。

该论文主要作者是：吕坚教授课题组博士后陈舟，主要研究方向为柔性驱动器，3D打印；陈志豪教授课题组博士生孔商成，主要研究方向为毫米波与太赫兹片上天线。此研究得到广东省科技厅、香港创新科技署的资助。

吕坚院士简介

吕坚，法国国家技术科学院（NATF）院士，香港工程科学院院士，香港城市大学机械工程系讲座教授，国家贵金属材料工程研究中心香港分社理事，先进结构材料中心主任。研究方向涉及先进结构与功能纳米材料的制备和力学性能，机械系统仿真模拟设计。曾任法国机械工业技术中 (CETIM)高级研究工程师和实验室负责人，法国特鲁瓦技术大学机械系统工程系系主任，法国教育部与法国国家科学中心（CNRS）机械系统与并行工程实验室主任，香港理工大学机械工程系系主任、讲座教授，兼任香港理工大学工程学院副院长，香港城市大学副校长。曾任法国、欧盟和中国的多项研究项目的负责人，并与空客、EADS、宝钢、安赛乐米塔尔、AREVA、ALSTOM、EDF、ABB、雷诺、标致等世界五百强公司有合作研究关系或为它们进行科学咨询工作。曾任欧盟第五框架科研计划评审专家；欧盟第六框架科研计划咨询专家；中国国家自然科学基金委海外评审专家，中科院首批海外评审专家，中科院沈阳金属所客座首席研究员，东北大学、北京科技大学、南昌大学名誉教授，西安交通大学和西北工业大学顾问教授，上海大学、中山大学、中南大学等大学客座教授，中科院知名学者团队成员，2011年被法国国家技术科学院（NATF）选为院士，是该院近300位院士中首位华裔院士。2006年与2017年分别获法国总统任命获法国国家荣誉骑士勋章及法国国家荣誉军团骑士勋章，2018年获中国工程院光华工程科技奖。已取得34项欧、美、中专利授权，在本领域顶尖杂志Nature（封面文章）、Science、Nature Materials、Materials Today、Advanced Materials、Advanced FunctionalMaterials、Nature Communications、Science Advances、 Advanced Science、PRL、Angew. Chem. 等专业杂志上发表论文400余篇，引用2万8千余次（Google Scholar）。

原文链接：

Chen Z., Kong S., He Y., Yi S., Liu G., MaoZ., Huo M., Chan C.H., Lu J., Soft, bistable actuators for reconfigurable 3Delectronics, ACS Appl. Mater. Inter.https://doi.org/10.1021/acsami.1c08722.

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。