——记清华大学航天航空学院工程力学系副教授张一慧

本刊记者 徐芳芳

张一慧，清华大学航天航空学院工程力学系副教授。2011年，在清华大学航天航空学院工程力学系获博士学位。2011?2015年，在美国西北大学土木与环境工程系先后担任Postdoctoral Fellow和Research Assistant Professor。进入清华大学工作。2016年入榜MIT Technology Review“世界杰出青年创新家”（TR35）。主要研究方向包括：屈曲引导的微尺度三维结构组装、柔性可延展结构及器件、仿生软物质等。

至今已发表SCI论文60余篇，包括Science、Cell以及Nature子刊共10篇。其中作为通讯作者或第一作者在国际综合类权威期刊Science、Nature Communications、PNAS、Science Advances，国际力学及材料学领域权威期刊JMPS、IJSS、Advanced Functional Materials、Advanced Healthcare Materials、Acta Materialia等发表SCI论文30余篇。

2015年1月，一篇作为Science封面的文章发表后，很快被Science、Nature分别在Perspectives和Research Highlights专栏中评述报道，并入选ESI高被引论文。而发表这篇文章的作者就是清华大学航天航空学院工程力学系副教授张一慧与其合作者。

美国佐治亚理工大学V.V.Tsukruk教授在Science同期出版的Perspectives专栏中认为，该工作“展示了一种新典范，它通过设计局部屈曲诱导功能材料迅速弹出成型复杂三维结构。”而屈曲引导的微尺度三维结构组装，正是张一慧的研究兴趣之一。

“屈曲力学”与“剪纸艺术”的完美结合

2015年，张一慧回到母校清华大学工作，独立开展研究。他和合作者开创了一个新的方向——屈曲力学引导的微尺度三维结构制备方法。

何为屈曲力学？

张一慧介绍说，屈曲力学是一个比较基础的研究方向，开展至今已有几百年的历史。结构丧失稳定性称作（结构）屈曲，即当载荷达到某一临界值时，结构构形将突然跳到另一个随遇的平衡状态。

早期的屈曲研究主要是为避免屈曲的发生，而最近十多年来，科学家们发现自然界生物体里存在很多新奇的屈曲现象。原来屈曲并不完全都是坏事，关键在于我们怎样去利用它。而张一慧现在的研究方向之一，就是利用屈曲力学现象，把它应用在新的领域。

三维微纳米结构在生物医学器件、微机电系统、光电子器件等众多科技领域具有重要而广泛的应用，一直以来都是科技研究的焦点。然而现有的三维微纳米结构的制备及组装方法却较为局限，尤其是缺乏高性能半导体材料的复杂三维结构成型方法。

张一慧与合作者提出将可控力学屈曲应用于微纳米三维结构组装，并引入剪纸设计概念，原创出一套可适用于各种高性能材料的三维微结构组装方法，制备出几百种现有方法无法实现的微纳米三维单晶硅结构，这为先进微纳米系统的制备提供了一种重要的新途径。

该方法不仅适用于半导体、金属、聚合物、塑料等各种材料类型，而且适用于不同特征尺度下的材料组装，例如从100纳米到30毫米。与3D打印技术相比，该方法具有适用材料范围广、成型速度快、成型过程可控性强等优势。

剪纸剪完之后会变得更加柔性，会有更大的伸缩空间和变形空间，这就可以释放应力集中，避免失效，保护结构。而把剪纸思想和屈曲成型方法结合到一起，用在微小三维结构的成型上，这在国际上尚属首次。

这些成果在2015年以清华大学为作者单位发表在Science、PNAS等国际刊物上，发表于Science的工作还被选为当期的封面文章。张一慧说：“Science一年才有51期，能被选为封面文章，相对还是比较难的。”

屈曲引导的微纳米三维结构组装方法，不仅提供了一种新颖的制备微小三维结构的方法，而且这种方法可以作为一种平台，根据不同领域的需求做成一些电子器件、生医器件、能源器件、或者光学器件等。利用这一新方法实现一些具有新颖功能的三维器件，这也是张一慧和课题组以及合作者正在进行的相关应用方面的研究。

“可穿戴皮肤电子器件”指日可待

把电池做得非常柔软，拉扯不坏——这是张一慧前期在美国的工作。

2011年到2014年博士后期间，张一慧在合作导师美国西北大学黄永刚教授的课题组中从事柔性可延展电子器件研究。期间，他的另一重要研究成果就是，建立可穿戴皮肤电子器件系统的可延展力电一体化设计与创新集成方法。张一慧说：“我们的目的就是，希望发展出来的电子器件可以有效的和人体、生物体贴合，从而提供一种全新的健康医疗手段，这是将来希望实现推广的一个目标。”

过去，如果生病了，只能根据病情去判断治疗，而未来的医疗模式将发生转变。美国正逐渐从这个医疗模式转变成疾病预防与管理，在疾病发生之前，就能获取诸多相关信息，从而避免疾病的发生，但这怎样才能实现呢？

传统医疗监测设备较为坚硬笨重，难以贴合人体的复杂曲面，因而无法与皮肤有效集成。想随时随地穿戴几乎是不可能的，因此不能满足人体生理信号的户外长时测试的需求。

张一慧和合作者提出采用电路系统的分形导线设计、微流体封装设计理念以及仿生皮肤设计新途径，建立了功能器件电路系统的力电一体化设计和分析方法，将其力学性能（弹性模量和延展率）改善两个甚至多个数量级。基于这些概念，实现了首个可长时监测皮肤温度、加速度和电生理信号的无线可穿戴多功能器件，以及可与人体不同部位表皮性质相匹配的人造皮肤。

这些力学设计理念具有普适意义，为可穿戴电子器件的发展和应用提供了坚实铺垫。这些成果已分别在2014年和2015年发表于Science、Nature Communications等国际刊物。发表于Science的工作还被杂志网站选为当期焦点，并入选ESI高被引论文。由于该工作的重要影响，张一慧还受到美国科学促进会中文版科学新闻平台的采访。

据张一慧介绍：“现在做的器件非常柔软，可以贴在身上，甚至洗澡也不会被冲掉，24小时随时随地穿戴。可无线传输，实时传到电脑上，需要时便可查看。”而该方向的最终目标是：“将来希望它可以全方位地应用在医疗的各个领域”。

交叉学科研究的“未来”

人体皮肤是可以拉伸和褶皱的，心脏是不停膨胀运动的。用传统的刚硬器件可能会破坏这些组织和器官，那么只有把器件做成可以匹配的形式才能避免。到底什么样的结构形式可以很大尺度拉伸呢？

刚开展博士后研究不久，张一慧想到了三维的螺旋结构有很大的拉伸空间，但做微器件则需要做一个很小尺寸的螺旋，而现有的方法很难将高性能材料做成微小尺寸的螺旋。后来，他就利用自己力学专业的方法，又与屈曲的研究背景相结合，终于成功形成了一种新的三维微组装方法。

“现在的科学领域面临的很多问题，具有很大的综合性和复杂性。通常很多问题不是一个学科领域能很好解决或解释得透彻的。所以，这为进行交叉学科的研究提供了一个机遇。”张一慧说。

对于微尺度三维结构组装领域而言，一个重要挑战是发展一种新方法来填补先前方法的不足，上述屈曲力学引导的方法就涉及固体力学的研究领域。而有了方法之后，还需要机械和材料科学领域的技术和方法，用来实现一些毫米尺寸或小到几微米的三维结构的制备。而要想做成三维器件或产品，又有可能涉及到电子工程和光学领域。张一慧认为，只有不同学科贡献自己的力量，才能使科研成果更加发光发亮，“将来还有很多有价值的东西，需要不同学科的交流和合作”。

“在不同科学研究过程中，我们尝试一些前人没有走过的路，这其中会有一些困难，遇到困难时贵在坚持。”张一慧回国不到一年，总是“早出晚归”，但家人的理解和支持，单位和国家的资助，让他不言放弃。

张一慧现在的研究主要聚焦在屈曲引导的微尺度三维结构组装和仿生软物质两个方向。他希望，在基础研究领域能做出更新颖的工作，使新发展的方向更系统，最终走向实用。