28岁力学新星用三维结构解决柔性电路封装后的延展性难题

28岁，已在诸多顶级期刊发表21篇论文，其中7篇担任一作,最新一篇担任共同一作的论文，还成为Nature当期封面论文。他就是山东日照小伙厉侃，目前在英国剑桥大学做博士后。

图|厉侃与他发表的Nature论文封面“种子飞行器”

2021年底，结束博后研究之后，他即将携爱人一起从英国回国，届时厉侃将入职华中科技大学机械学院担任教授。

图|厉侃和妻子，以及他的猫“腿子”

厉侃生于1993年，来自山东省日照市，父母都是医护工作者。初高中就读于日照市第一中学。中学时他对物理竞赛产生了浓厚的兴趣，但当时学校参加物理竞赛的氛围并不浓烈。初三到高一，他都处于自学阶段。

学校关注到他的兴趣之后，专门划出一间教室，让他在不上课时来这里备赛。厉侃告诉DeepTech，学校的资源原本很紧张，但却在未来不明朗的情况下创造学习条件，为此他十分感动。

最终，他也不负众望，凭借物理竞赛成绩保送至清华大学。起初他选择了物理系的数理基科班。入学军训以后，同学拉着他参加钱学森（工程力学）班二次招生考试，结果厉侃幸运地考上了钱学森班，并在本科毕业时拿到工程力学学位。

而在本科最后一年，通过学校公派项目，他来到美国西北大学机械工程系教授黄永刚院士团队做访问学生。后来，黄永刚老师让厉侃留下读博士，博士专业也和本科时一脉相承，学的是理论与应用力学。留学期间，他还获得国家优秀自费留学生奖金。

2019年博士毕业后，他到剑桥大学做博后研究，方向是晶格材料的力学分析与设计，导师诺曼·弗莱克（NormanFleck）是英国皇家科学院院士，同时也是国际理论应用力学学会的主席。

而谈及过往研究，厉侃告诉DeepTech，此前在博士期间他最满意的论文有四篇。

用“缠绕的卷曲藤蔓”连接传感器和电路

第一篇较为满意的论文于2017年发表在NatureCommunications上，题为《柔性电子器件的自组装三维网络设计》（Self-assembledthreedimensionalnetworkdesignsforsoftelectronics）。

以往的柔性可延展电子一般基于二维设计，比如蛇形导线、分型导线等，通过面内设计来增加器件的可延展性。

这些二维设计只有在无封装情况下，才能实现超高的延展性。但在实际使用情境中，这些器件都需要增加一些封装予以保护，只有这样才能防止器件在实际应用时受到外界损伤，同时也避免植入式器件的有毒部分给人体组织造成毒害。

但是加了封装材料以后，此前二维设计的可延展性都会变低。因此，厉侃采用三维螺旋线设计，去替换以往的二维蛇形导线。即把二维蛇形导线有选择性地粘贴在预拉伸的弹性基底上，这样在释放基底的时候，二维蛇形线就会压缩屈曲成三维螺旋线。

螺旋线在封装状态下，依然可达到131%以上的可延展性。而如果是二维导线，在封装里的可延展性一般不到10%~20%，这意味着在很多场景下的应用会受到限制。

与平面传感器不同，由于该设备中的微小线圈是三维的，因此可最大限度提高灵活性，这些线圈甚至会像弹簧一样伸展和收缩，并且不会断裂。

此外，线圈和传感器组件还能配置出不寻常的蜘蛛网图案，并可确保“在任何方向上都具有均匀的拉伸性和弯曲性”。它还能实现更紧密的组件封装，从而最大限度地减小尺寸。

概括来说，这种设计就像一个缠绕的卷曲藤蔓，可以连接传感器、电路和无线电。

另外，电气问题和机械问题也被考虑在内，以便让物理布局得到充分优化，比如传感器的放置、电线的长度，都被设计得尽可能减少信号干扰和噪声。

在三维结构中加入热电功能材料

2018年11月，厉侃的另一篇论文以《用于在微型柔性设备中收集能量的柔性可拉伸的热电线圈》（Compliantandstretchablethermoelectriccoilsforenergyharvestinginminiatureflexibledevices）为题，发表在ScienceAdvances上。

过去几年，具有能量收集功能的微型半导体设备，为可穿戴技术和传感器铺平了道路。尽管热电系统的表现十分可观，但随着设备小型化趋势的加速，越来越难实现在小型器件的冷热两端保持较大的温差。

为此，厉侃想到一种解决方案，把工程薄膜热电材料集成到柔性三维结构中。

据悉，传统热电器件一般基于较厚的固态热电材料，尽管这类材料的热电转化效率比较高，但是可延展性非常差。

而新型薄膜热电材料虽然制备方便、热电转换效率较高，但厚度方向非常薄、热阻非常低，所以在实际应用中难以进行热阻匹配，以达到最优热电功率输出。例如，如果把它单层贴在皮肤上，它的上下表面很快就会接近皮肤温度，这时就很难上下形成较大温差并加以利用。

研究中，厉侃发现三维结构和薄膜热电材料有着完美的契合度。他采用热电材料单晶硅的微条带，构建出三维热电线圈互连阵列。

基于此，他提出把二维薄膜材料设计成三维线圈的形式，这样就能增加它在冷端和热端的温差，不仅能有效匹配热阻、增加热电功率的转换效率，还能为该类热电器件引入柔性的特点。

在此工作中，厉侃与其合作者采用单晶硅制备了热电螺旋线圈结构——在蛇形结构中加入P型硅带和N型硅带，还给系统顶部和底部都封装上聚合物涂层，以机械方式引导组件之后，再通过压缩屈曲的方式，即可让二维蛇形结构生成三维螺旋结构。

如此一来系统就可从二维模式转为三维模式。

在需要器件进行大变形拉伸和弯曲的应用中，三维线圈能提供机械柔性和稳定性。这种特性使得该系统非常适合和在人体手腕或脚踝上应用，利用人体与空气间的温差为可穿戴电子器件供能。

该成果和厉侃的最新Nature封面成果“种子飞行器”也有关联，即都属于三维结构类成果。

以在热电领域的应用为例，三维结构往往具备二维平面结构无法实现的特殊性能，“种子飞行器”所展现的是三维结构在飞行器设计中，能在流固耦合领域产生特殊效果。

开发柔性电子通用的固体封装方法

2019年1月，厉侃发表在AdvancedFunctionalMaterials的论文，是2017年发表在NatureCommunicationdes的论文的延续性工作。

如前文所述，在2017年的成果中，他采用了二步封装的封装方式。而在2019年的研究中，他对此前工作做了进一步展开，相关论文题为《可拉伸电子器件的通用软封装策略》（AGenericSoftEncapsulationStrategyforStretchableElectronics）。

以往施加固态封装时，往往是把结构释放到最没有应力的状态，而在这一自然状态下去施加封装，结构可拉伸性一般较差。采用两步封装的方式是将结构预拉伸至某一预制的中间状态，在此状态浇筑封装后，器件可以实现较高可拉伸性。

在此前三维结构研究的基础上，厉侃开始思考如何让柔性电子领域中广泛采用的二维平面导线，包括以往的蛇形导线或分形导线，也能利用这种封装方式，从而进一步提高可延展性。

总之，厉侃开发出一种通用的固体封装方法，能为广泛的柔性导线互联结构提供前所未有的弹性拉伸能力。与传统的一步封装相比，该研究所提出的二步封装，可让二维蛇形互连的可拉伸性增加约6倍，二维分形互连增加约4倍，三维螺旋互连增加约2.6倍。

结合理论和实验研究，厉侃也阐明了这种可拉伸性增强的潜在机制、以及各种设计参数的影响。用三维螺旋互连和二维分形互连构建的封装柔性LED系统的设备表明，它在封装状态下能很好地保持超高拉伸性。

在各种可伸缩互连技术中，这种软封装策略具有广泛的应用价值，在柔性可拉伸器件的设计中，也具有广阔的应用前景。

用剪纸图案机体形成三维结构

三维，是厉侃的诸多论文中绕不开的词语。

2019年7月，他的另一篇论文以《先进材料的屈曲和扭曲成可变形的三维细观结构》（Bucklingandtwistingofadvancedmaterialsintomorphable3Dmesostructures）为题发表在PNAS上。

这篇也是关于三维结构的探索，但他不仅研究了三维结构的用途，还探讨了是否有更好、更有趣的三维结构，以及是否有制造三维结构的新方法。

概括来说，此前的三维组装方案是在均匀的基底上去形成三维结构。厉侃的这项研究关注的是能否将均匀基底替换成一些具有剪纸图案的基底，从而去形成新的一类具有局部扭转的三维结构。

剪纸图案给基底带来的影响是：在拉伸过程中，一个均匀基底在上面的点，只有一些平移变形而没有旋转变形。但如果采用剪纸材料的基底，那么在拉伸和释放的过程中，上面一些点会旋转，这会使得基底上的一些三维结构产生额外的扭转。

这种扭转可让上面的三维结构，在三维成型的基础上进一步变形，且具备一定的应用前景。

回国“直奔”大师兄课题组

目前，厉侃正在做其他研究，手头还有未发表的论文。

他本来计划博士毕业就回国，但还是选择做完博后研究再回国。之所以选择华中科大，是因为华科教授黄永安课题组，是国内柔性电子最好的团队之一，其实验室柔性电子微纳制备技术甚至在全球都处于领先地位。

再加上黄永安老师之前也在美国西北大学黄永刚课题组里面访问过，因此黄永安也算是厉侃的大师兄，两人之间非常有信任感，此次选择回国更是直奔大师兄那里。厉侃与黄永安教授团队已合作开展飞行器柔性智能蒙皮测量技术的研究，并取得突破性进展，相关成果不久前在期刊《纳米能源》(NanoEnergy)上发表。厉侃将与黄永安教授团队携手，开展新一代先进飞行器智能感知研究。