自1999年起，《麻省理工科技评论》每年在全球范围内从生物医药技术、能源材料、人工智能等多个前沿学科和科技领域中遴选出35岁以下对未来科技发展产生深远影响的青年科技人才-“35岁以下科技创新35人”。2017年《麻省理工科技评论》将这份最权威的榜单落地中国，旨在以全球视野挖掘最有创新能力的科技青年领军人，并为这些青年科学家搭建一个高度国际化的舞台。
为聚集全球创新人才和资源，打造创新人才高地，中关村科学城与北京清华工业开发研究院联合《麻省理工科技评论》中国，于2023年3月30日-31日在北京·海淀中关村自主创新示范区展示中心会议中心举办全球青年科技领袖峰会暨《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”中国发布仪式。
以下是清华大学航天航空学院长聘教授张一慧在全球青年科技领袖峰会的精彩演讲，由云现场整理。
尊敬的各位领导、各位专家、各位来宾大家下午好。首先感谢组委会的邀请，觉得很荣幸能有今天这样一个机会，和大家分享我们课题组今天以来的研究进展。
今天报告的主题是力学引导的维纳尺度三维器件组装方法，主要我们是通过力学原理来发展一种三维微电子器件新型的制备方法，这里面就涉及到深度的学科交叉，涉及到力学、材料、电子、生物、化学等领域的深度的交叉。
也是很荣幸由于在这个方向的第一个工作，有幸入选了2016年MITTR35的榜单，今天这个报告很想跟大家交流我们在这个新的研究方向做的一些研究工作和进展，我这个报告里面的主题维纳电子器件，实际上和大家的生活密切相关，上周我们著名的科学家、企业家戈登·摩尔离我们而去，他所提出的摩尔定律在过去50年时间很好的指引了集成电子器件的发展，并且将来也将为我们的科学研究提供指引。
近年来，由于我们的平面微加工工艺已经逐渐接近其物理极限伴随着7纳米、5纳米节点技术的出现，集成电子器件的发展已经明显落后于摩尔定理的预测，考虑往第三个维度发展可能带来一些全新的契机，因此三维维纳电子器件已经逐渐成为后摩尔定律时代一个非常重要的研究方向。
与平面二维的维纳器件相比，三维维纳器件可以提供更加广阔的设计空间，更加优异的器件性能，甚至是全新的功能，相关研究有望推动生物集成电子器件，微型机器人等领域的跨代发展。三维维纳器件具有哪些特点。
很明显它的特征尺度往往非常小，可能到微米甚至是纳米的尺度，同时它的集合构型非常复杂，而且涉及强的、非线性的力学性质，以及结构功能一体化的特点。
而正是由于这些特点，使得三维维纳器件的定制化设计和制备变的十分挑战，具体而言，我们目前非常成熟的平面的维纳加工工艺，只能成型各种各样的二维微结构和电子器械，很难成型三维的无机微电子器械。
而最近一些新兴的3D微加工技术，比如说一些3D叠层加工技术，上面有一些显示不是很正常，还有一些残余主张技术等等，这些新兴的三维微电子器件的加工工艺也很难成型，具有复杂三维形状的维纳电子器件。
可以看到天线图的左下角有一个很大的空白，因此亟待发展一些新型的3D成型技术，以满足制备复杂三维无机微电子器件的需求。为了解决这个科学问题，我的课题组在过去10年间做了一些相关的研究工作，也是通过持续的攻关，目前初步形成了一套区别于以往方法的新途径，其核心思想是在发展非常成熟的平面维纳加工基础上更进一步，将非常容易成型的二维结构，通过我们的力学加载，把它变形成三维。
这里举一个简单的例子，来给大家介绍我们发展的力学引导的三维组装方法，首先我们需要有一个组装平台，来提供我们组装所需要的力学载荷，这里任意可变形的软材料，都可以作为我们的组装平台。
我们这里例子里面采用的是一个硅胶材料作为我们的组装平台，同时我们何以利用发展非常成熟的平面微加工工艺，来成型任意形状的二维的电子器件或者是结构。在这个例子里面，我们采用的是一个蛇形的二维的规格模结构作为我们组装的前驱体结构。
接下来我们就将这两者集成，通过一些表面化学反应的一些方式，可以选择性的在一些地方，红色的点产生共嫁接连接，而其它地方都是很弱的界面，这样把你的预拉伸一释放，我们的平面结构就会弹出组装平台的表面，成型我们想要的三维螺旋线圈结构，这个设想确实得到了实验的验证，我们利用单晶硅非常脆的材料，可以让它经历很大的变形，从而形成这种螺旋线圈，以及其它各种各样的复杂三维形状，这也是在事业上第一次能够做到把单晶硅做成特别复杂的三维结构。
这套方法核心思想，就是在我们的平面制备基础上，通过引入一些有效的结构设计概念，从而实现可控的二维到三维的转变。由于我们的平面加工工艺可以实现批量化的生产，而我们的组装方法与它兼容，因此我们可以并行的组装，一次组装成百上千的细微的维纳结构或者器件。
这项工作在2015年作为封面文章发表于《Science》，由于我在这个封面的一些原创性的贡献，也有幸入选了2016年的MIT TR35。这种三维组装方法它具有两个方面的独特优势：
第一个优势，体现在它非常广阔的材料适用范围，除了单晶硅以外，它还适用于砷化镓、氮化镓其它的半导体材料，以及各种各样的金属聚合物，甚至是陶瓷，都可以很好的适用，只要你能够平面把它加工出来，我们就有希望把它组装成三维。
第二个优势，体现在它适用的材料尺度范围，非常的广泛，从细微尺度、亚微米的尺度到我们的米级宏观的尺度，特都有很好的适用性。
我们在这个领域发表的最新的两篇文章之后，很快我们的工作受到了国内外同行以及《Nature》这些编辑的注意，他们也邀请我们撰写了两篇综述文章，这两篇文章都是作为封面文章发表的。
正是由于这个方法的一些独特优势，它也有很大的潜力来研制一些新型的功能器件，包括具有一些独特的、新功能的器件，以及具有高性能的器件性能的新型器件。
这些例子包括像我们说的4D天线，具有一些重构能力的天线，以及3D的生物集成电子器件，微型机器人等等。
因为时间关系，我今天挑两个微型机器人的例子，来给大家介绍我们这套方法的应用潜力。
第一个例子，我们是受到生物的启发，生物的星果藤种子它们在空间具有自旋稳定下落的特点，我们受这个启发就利用我们的三维组装技术，把微电子器件制造成类似的三维形状，使得我们的电子器件也具有自旋稳定下落和超长滞空的特点。
我们的下落速度优化后可以达到雪花下落速度的1/8，进一步通过集成芯片和微系统，我们的器件还可以执行一些环境探测、信息传输的功能。
第二个例子，微型的软体攀爬机器人，这个例子里面我们利用三维组装技术，来去研制具有高度变形能力的微型驱动器，以及可以吸附共形于各种各样曲面的脚掌。这些动画可以看到我们的机器人可以很好的在天花板、圆柱的内外臂、球面、玻璃面等等曲面上进行很好的攀爬，并且可以在不同的场面间进行切换。
这种三维组装的方法往实际去应用、推广，一个很重要的前提，就是我们有一套定量的立场设计方法，也就是说你想要一个什么样的三维目标几何构型，我可以通过我们的方法快速的告诉你，初始的二维形状应该做成什么样。
为了解决这个难题，我们一直在去寻求一些思路，也是一直在进行一些研究。我们之前想到的一个思路，通过引入薄膜的变厚度设计，来去调控结构的刚度分布，进而调控它的曲率。
但是由于我们厚度的调控，对于微加工非常困难，在1-10微米的厚度范围内，我们极限的尺度，加工的维纳结构器件大约也就4毫米左右。可以看到在4个毫米的时候，我们的形状已经失真了，因此这种变厚度的策略，实际上还是很难去来调控更加复杂的三维曲面，当然这里有很多的难点和挑战。
为了更好的来解决这个问题，我们向大自然来寻求答案，我们发现自然界中很多植物，比如说这里面展示的各种各样的像白玉草等等，都具有非常丰富的多孔微结构，而这些多孔微结构对它们的形状成型至关重要。
受此启发，我们就提出能不能人工的微点阵设计，来帮助我们更好的去调控形状，调控曲率。因为微点阵设计，我们不涉及厚度分布的调控，只是面内的调控。首先我们先找了一些植物的曲面，我们先小试牛刀看一下这个调控能力是不是足够。
我们发现确实对于不同的植物，包括它涉及到不同的属性，都可以通过我们孔隙率的分布，来去很好的重建它的几何形状。
怎么来去定量对它进行设计，这就需要我们从目标曲面出发，能够找到一种算法，最后给出它的孔隙率分布，对于一些规则的、对称的曲面，我们可以利用近似离散逼近的思想，我把一个曲面切割成很多瓣，每一瓣我们都可以通过力学理论来去建立我们的孔隙率和我们的曲率分布之间的关联，这有一个公式，可以给出两者的关联，这样我们就可以定量的找到我们多孔分布的形状，来去使得我们组装的结构，可以和你的目标曲面完全一致。
基于这套方法，我们可以实现十多种规则对称曲面的重建，这里还有两个动画，给出了我们半球形状动态组装过程，以及火山状有辨曲率特征的形状重构。另外这里还涉及到整个球面以及我们的花瓶状形状，这种复杂曲面的组装。
基于这一方面，我们就可以对各种各样的生物曲面，我们细微尺度通过微电子器件的一些材料，来对它进行重建。比如说这里的蓝莓花，它是有五重旋转对称性，我们很好的利用这个方法对它进行重建。另外还有花篮，圆柱的腹部等等我们都可以很好的对它进行重建。
当然这个方法也集成了三维组装方法的优异的材料广泛适用性，以及尺度的适用性。但是如果涉及到更加复杂、更加一般化的三维曲面，如何来重建，这里就把AI的一些新技术引入到其中，通过这种点云的技术，以及我们的深度的神经网络来构建点云的坐标，和我们的孔隙率之间的关联，并且通过学习，我们很好的重建了这种贝壳曲面，还有像蚂蚁的曲面，我们都可以很好的把它重建出来。
这种方法就使得我们可以针对各种各样的目标曲面，我们真实的能够精确的去对它进行重建，并且把电子器件集成在上面。这里我们就利用这种技术开发了一种透气的，共性的三维心脏电子器件，它的形状可以跟心间完全的匹配，并且它可以执行温度传感以及心肌消融这些治疗功能。
此外我们还可以模仿生物体的一些运动特性，比如说这里的黄鲷鱼可以游动，在水里面有不同的模式，我们可以把我们的电子器件做成类似的形状，并且在上头通不同的电流，在磁场下来无限的激发不同的震动模式。
比如说，下面这个动画里面展示的它可以同向的摆动，或者是异向的摆动，和黄鲷鱼的运动模式类似。此外我们还研制了一种具有传感功能的，防视网膜的电子细胞支架，它除了可以真实的去根据视网膜的曲面来把细胞长在上面，铺的很好，同时还可以通过电子器件来去监测细胞生长的状态，以及它凋亡的状态。
总的来说，我们这一系列工作，主要是发展了一种全新的三维制造方法以及它的力向设计方法，并且可以研制一些新型的器件。
感谢我的合作者和项目的支持，最后衷心感谢大家，也祝贺我们今年入选新一届榜单的各位青年才俊，谢谢大家。
