三维（3D）细胞微结构在生物体内无处不在，它们在三维形状的形成、营养物质的合成和运输以及生长和繁殖的调节方面发挥着不同的、不可替代的作用。由于细胞结构具有高的表面积、大的孔隙，以及优良的机械和热性能，细胞设计已经被用于开发材料和功能系统。尽管异质细胞微结构被认为在其三维形状的形成中起着关键作用，但在人造系统中，具有细胞设计的三维弯曲中表面的编程仍然难以实现。基于以上挑战，清华大学张一慧教授课题组开发了一种逆向设计方法，通过粘合在一起的二维薄膜的子集来实现复杂的三维（3D）表面。分析建模和计算来反设计二维图案允许控制最终的孔隙率。此外，作者还介绍了大约 30 种几何形状，包括规则和生物介孔表面。演示包括一个顺应的心脏电子设备，一个类似黄貂鱼的双模致动器和一个3D电子细胞支架。相关成果以“Programming 3D curved mesosurfaces using microlattice designs”为题发表在最新一期《Science》上。第一作者为Xu Cheng和Zhichao Fan。用于 3D 细观表面曲率规划的微晶格设计策略图1说明了仿生微晶格设计策略的关键概念和功能。该策略引入了具有工程晶格图案的2D薄膜，该薄膜由空间变化的三角形单元和微米尺寸的带组成。利用三角形晶格设计代替带有圆孔的蜂窝设计，因为应力集中的缓解和对复杂形状边缘的出色适应性。图1B以圆形设计域R为例，给出了微晶格设计策略的示意图。微晶格设计策略赋予微胶片局部离散但全局连续的几何特征，从而实现固体微胶片无法获得的离散介导的变形机制。这种离散介导的变形机制主要发生在具有内键合位点的微缩膜中，通常会发生局部变形。图 1D呈现了两个受曼陀罗和栀子茉莉埃利斯启发的中间表面，其中手性是通过孔隙度控制方法定制的图 1. 通过仿生微晶格设计策略对 3D 介观表面进行曲率规划的概念图三维介面合理组装的微晶格设计方法允许逆向设计二维带状细观结构和轴对称细观表面如图2所示。图2A显示了近似于10个次表面的半球形中表面，其中组装的3D中表面的光学图像和数值模拟与目标表面非常一致，这结果表明了基于微针策略的逆设计方法的有效性。引入内键合位点允许组装的3D介表面的曲率改变其符号，从而扩大3D介面的范围（图2B），作者制作了一系列的模型来进行举例说明（图2C-E）。基于光束理论的模型还允许对具有旋转对称性的3D介面进行逆向设计，包括从真实植物重建的复杂仿生介面。例如，蓝莓花有五个花瓣和一个样式，它们的形状可以通过离散点采样重建，作为设计目标（图2F）。然后，可以通过反设计方法确定双层二维前驱体图案和预应变（图2F）。类似地，可以反向设计和制造被封闭的椭圆形花萼囊包围的仿生费城假单胞菌浆果（图2G和图2G）。这种逆设计方法可以进一步扩展到具有轻微不对称性的弯曲介面。图 2.基于解析模型的三维曲面反演设计如果目标三维表面不能离散化为一组对称带状，则上述仅考虑弯曲变形的基于梁理论的模型将不起作用。引入机器学习算法可以为具有对称和非对称配置的 3D 介面建立强大的逆设计方法。以贝壳表面为例（图3A），该方法首先将3D曲面离散化为一组3D特征点，使用可捕获关键几何特征的策略切割。利用基于点云的人工神经网络预测二维点坐标，通过有限元分析生成数据集，在训练的基础上。然后，可以生成包含2个独立带状体和键合位点的12D微晶格图案，给定最佳集合和规定的网格划分方法。每个带状组件组装在单独的基板上，然后使用上述应变限制框架转移到同一平台上，形成整个3D介孔表面。3D复杂介面和2D微晶格薄膜之间的映射实际上简化为一组3D点云和另一个因此，可以大大降低计算成本，以促进复杂3D表面的逆向设计。香椿和杨桃作为两个介面，可以按照这种离散化策略进行反向设计（图3B-D）。图 3.使用基于点云的机器学习方法对 3D 复杂介面进行逆向设计基于仿生微晶格设计的器件应用仿生微晶格设计允许构建具有所需曲率分布的3D电子系统，以符合或复制生物组织和器官的弯曲表面。图4A显示了用于心脏感应、光刺激和热消融的透气半球形电子设备。在这里，作者介绍了优化的蛇形结构作为应变限制框架，其中组装的半球形不仅可以在独立状态下很好地保持，而且还可以变形以适应非球形表面，从而产生高信噪比温度传感（图4B）。使用微晶格设计也可以模仿生物体动态特性的仿生3D细观结构(图 4D)，展示了一个类似黄貂鱼的3D中观结构。通过改变两个电路中的电流方向并调整其频率，可以激励不同的振动模式（图4、E和F）。开发模拟体内3D微环境的3D生物模型和平台对于研究细胞的基本行为具有重要意义。这里展示了具有集成传感功能的球形帽形电子细胞支架（图4，G至I）。.结果表明，3D电子细胞支架是研究细胞生理活动的实时空间分布的非侵入性平台。图 4.基于仿生微晶格设计的三维曲面细观表面的应用.小结：本文介绍的生物启发微晶格设计策略和逆设计方法允许将2D薄膜合理地组装成具有不同几何形状的所需3D中间表面，可以从规则表面（例如半球形，球形，半球形和半球形）到高度复杂的表面。原则上，微晶格设计适用于广泛的材料，包括但不限于这项工作中展示的材料。与之前的局部刚度控制策略相比，所提出的微晶格设计在可实现的几何形状、适用材料和组装的3D表面的长度尺度方面取得了根本性的进步。保形3D心脏电子设备、仿生双模致动器和3D电子细胞支架的演示表明，在生物电子学、微机电系统和微机器人方面有广阔的应用前景。此外，微晶格策略可用于设计光学器件，例如具有角度相关反射率的光学超表面。