柔性多稳态三维微结构及其系统和形成方法

1.本技术涉及工程材料制备技术领域，且特别涉及一种柔性多稳态三维微结构及其系统和形成方法。背景技术：2.在外界激励下可以改变形状和尺寸的三维结构在很多领域都有广泛的应用。例如，在医疗领域，能够自适应胃肠道尺寸的压力传感器可以减小内窥镜对人体的机械损伤，能够膨胀展开的血管支架可以在植入手术时消除血栓。在通信领域，微型天线能在空间内及时展开以收集能量和传输信号。3.现阶段，主要借助机械致动的方法来远程驱动上述三维结构的变形。但是，通过远程的机械致动的方法来驱动三维结构时，可以切换的形状是有限的，无法适用于需要多次改变形状的场景。并且，随着结构的尺寸缩小到毫米和亚毫米的尺度，相比于结构整体具有的刚度，驱动力会迅速减小，导致小尺度下实现较大的驱动变形会很困难。因此，需要一种能够远程切换成各种形状并且能驱动较大刚度的小尺度结构的三维结构。技术实现要素：4.鉴于上述现有技术的状态而做出本技术。本技术的目的在于提供一种能够将三维结构切换为多种稳态结构的柔性多稳态三维微结构及其系统和形成方法。5.本技术的第一方面提供了一种柔性多稳态三维微结构，其包括夹层结构，所述夹层结构是能够在彼此交叉的第一方向和第二方向上屈曲变形的平面结构，6.所述夹层结构包括第一端部条带、第二端部条带以及多个中间条带，所述第一端部条带和所述第二端部条带均沿着所述第一方向延伸，并且所述第一端部条带和所述第二端部条带沿着所述第二方向间隔开地排列，各所述中间条带的一端连接到所述第一端部条带、另一端连接到所述第二端部条带，7.所述第一端部条带、所述第二端部条带以及所述多个中间条带中的一个或多个条带能够在电磁的作用下发生诱导变形，8.在发生所述诱导变形之前，所述夹层结构在所述第一方向上屈曲变形，在发生所述诱导变形之后，所述夹层结构在所述第二方向上屈曲变形。9.在至少一个实施方式中，所述柔性多稳态三维微结构还包括柔性衬底，所述柔性衬底能够在所述第一方向和所述第二方向上拉伸变形，并且所述柔性衬底在沿着所述第一方向和所述第二方向被拉伸的状态下与平面结构的所述夹层结构连接。10.在至少一个实施方式中，所述夹层结构包括两个基底层和一个导电层，两个所述基底层在第三方向上重叠，所述导电层位于所述两个基底层之间，所述第三方向与所述第一方向和所述第二方向垂直，11.所述第一端部条带、所述第二端部条带以及所述多个中间条带中的一个或多个条带中设置有所述导电层，从而能够被施加电流。12.在至少一个实施方式中，在所述第一端部条带的两端和/或所述第二端部条带的两端分别设有端部连接部，所述夹层结构通过所述端部连接部连接到所述柔性衬底。13.在至少一个实施方式中，所述导电层延伸到所述端部连接部，从而能够经由所述端部连接部向所述导电层施加电流。14.在至少一个实施方式中，所述基底层的厚度为5～15微米，所述导电层的厚度为200～400纳米。15.本技术的第二方面提供了一种柔性多稳态三维微结构系统，其包括：16.根据上述技术方案中任一项所述的柔性多稳态三维微结构；17.应变施加部，其用于拉伸所述柔性衬底及释放对所述柔性衬底的拉伸；电流施加部，其用于向所述夹层结构施加电流；以及18.磁场施加部，其用于向所述夹层结构施加磁场。19.本技术的第三方面提供了一种柔性多稳态三维微结构的形成方法，其包括将夹层结构形成为能够在彼此交叉的第一方向和第二方向上屈曲变形的平面结构，20.所述夹层结构包括第一端部条带、第二端部条带以及多个中间条带，所述第一端部条带和所述第二端部条带均沿着所述第一方向延伸，并且所述第一端部条带和所述第二端部条带沿着所述第二方向间隔开地排列，各所述中间条带的一端连接到所述第一端部条带、另一端连接到所述第二端部条带，使所述第一端部条带、所述第二端部条带以及所述多个中间条带中的一个或多个条带能够在电磁的作用下发生诱导变形，并且21.在发生所述诱导变形之前，使所述夹层结构在所述第一方向上屈曲变形，在发生所述诱导变形之后，使所述夹层结构在所述第二方向上屈曲变形。22.在至少一个实施方式中，包括将平面结构的所述夹层结构连接到处于沿着所述第一方向和所述第二方向被拉伸的状态的柔性衬底。23.在至少一个实施方式中，包括：24.在所述第一方向上释放对所述柔性衬底的拉伸，使所述夹层结构的第一端部条带和第二端部条带在第三方向上隆起；25.对所述柔性多稳态三维微结构施加磁场；26.对所述夹层结构施加电流，使所述第一端部条带、所述第二端部条带以及所述多个中间条带中的一个或多个条带在电磁的作用下发生诱导变形；以及27.在所述第二方向上释放对所述柔性衬底的拉伸，使所述夹层结构的所述第一端部条带和所述第二端部条带在所述第二方向上彼此靠近。28.在至少一个实施方式中，所述夹层结构的制备步骤包括：29.在载体的表面形成第一基底薄膜；30.在所述第一基底薄膜的表面形成导电薄膜；31.在所述导电薄膜的表面形成光刻胶并且将所述光刻胶刻蚀成第一图案；32.将所述导电薄膜的没有被所述光刻胶覆盖的部分去掉，从而形成导电层；33.在所述第一基底薄膜和所述导电层的表面依次形成第二基底薄膜、粘贴薄膜以及光刻胶并且将光刻胶刻蚀成第二图案；34.将所述粘贴薄膜的没有被光刻胶覆盖的部分去掉；35.将所述第一基底薄膜和所述第二基底薄膜的没有被所述粘贴薄膜覆盖的部分去掉；以及36.将所述粘贴薄膜去掉。37.通过采用上述技术方案，可以在机械和电磁的协同作用下实现对三维结构形状的调控，以应用在需要改变结构形状和尺寸的各种场景中。附图说明38.图1示出了根据本技术的一个实施方式的将夹层结构连接到柔性衬底时的示意图。39.图2示出了根据本技术的一个实施方式的夹层结构的剖视图。40.图3示出了根据本技术的一个实施方式的制备夹层结构的步骤的示意图。41.图4示出了根据本技术的一个实施方式的仅释放了柔性衬底的第一方向的预拉伸时的夹层结构的立体示意图。42.图5示出了根据本技术的一个实施方式的切换为第一稳态结构的夹层结构的立体示意图。43.图6示出了根据本技术的一个实施方式的切换为第二稳态结构的夹层结构的立体示意图。44.图7示出了根据本技术的一个实施方式的切换为第三稳态结构的夹层结构的立体示意图。45.图8示出了根据本技术的一个实施方式的切换为第四稳态结构的夹层结构的立体示意图。具体实施方式46.下面参照附图描述本技术的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本技术，而不用于穷举本技术的所有可行的方式，也不用于限制本技术的范围。47.以下概略阐述本技术的技术思路。本技术提出了一种柔性多稳态三维微结构、柔性多稳态三维微结构系统及柔性多稳态三维微结构的形成方法。本技术的柔性多稳态三维微结构系统包括柔性多稳态三维微结构、电流施加部、磁场施加部以及应变施加部。该柔性多稳态三维微结构包括柔性衬底1和夹层结构2。根据本技术，首先通过释放柔性衬底1的预拉伸应变，使处在平面状态的夹层结构2受到单向压缩而失稳屈曲，形成隆起的三维结构。进一步地，通过磁场施加部对三维结构施加磁场并且通过电流施加部对三维结构中的导电层施加电流，使导电层在安培力的作用下产生相应变形。在此变形的诱导下，使三维结构在释放柔性衬底1的另一方向的预拉伸应变后，整体发生失稳屈曲并成为想要的形状。48.如无特殊说明，本技术中的第一方向指的是图1所示的x方向，第二方向指的是图1所示的y方向，第三方向指的是图1所示的z方向。49.如图1所示，本技术的柔性多稳态三维微结构包括柔性衬底1和夹层结构2。其中，柔性衬底1是能够在第一方向和第二方向上拉伸的平面结构，在第一方向上具有拉伸应变εx，在第二方向上具有拉伸应变εy。夹层结构2也是平面结构并且在柔性衬底1沿着第一方向和第二方向拉伸的状态下连接到柔性衬底1。50.具体地，在本实施方式中，柔性衬底1的材料可以是pdms(聚二甲基硅氧烷)。可以通过采用静止浇筑的方式制备弹性很大的柔性衬底1。首先，利用公式m＝ρsh计算出需要的柔性衬底1的厚度所对应的液态pdms的质量，其中m为质量、ρ为密度、s为固化容器的横截面积、h为厚度。在本实施方式中，厚度可以为3mm。然后，将液态的pdms的本体和固化剂按照例如10:1的比例进行混合均匀，称取计算出来的质量的pdms混合液体，将其放入固化容器中并置于室温固化两天，会形成厚度为3mm的pdms。将固化后的pdms即柔性衬底1置于作为应变施加部的示例的双轴拉伸台上，使其保持约20％的双轴预应变，并处于拉伸状态。51.这里，柔性衬底1在双轴拉伸台上沿着第一方向和第二方向拉伸，具有两个方向上的预应变。52.此外，如图1所示，夹层结构2包括第一端部条带21、第二端部条带22以及两个中间条带23、24。第一端部条带21和第二端部条带22均沿着第一方向延伸，第一端部条带21和第二端部条带22沿着第二方向间隔开地排列。中间条带23、24的一端连接到第一端部条带21、另一端连接到第二端部条带22。这里，中间条带可以是直线的条带，也可以是弯曲的条带。53.此外，可以在第一端部条带21的两端设有作为端部连接部的第一端部连接部21a、21b，在第二端部条带22的两端设有作为端部连接部的第二端部连接部22a、22b，以连接到柔性衬底1。54.此外，夹层结构2包括在第三方向上层叠的两个基底层和一个导电层。其中，导电层位于两个基底层之间。在本实施方式中，基底层的材质可以为聚酰亚胺，导电层的材质可以为金属，如图3的步骤s8所示。这里，导电层可以延伸到第一端部连接部21a、21b和第二端部连接部22a、22b，从而能够经由第一端部连接部21a、21b和第二端部连接部22a、22b向该导电层施加电流。55.具体地，如图2的阴影区域所示，导电层包括多个单独的导线3、4。导线3从第一端部条带21的一端经由中间条带23延伸到第二端部条带22的一端。导线4从第一端部条带21的另一端经由中间条带24延伸到第二端部条带22的另一端。56.以下，参照图3对本技术的夹层结构2的形成方法进行说明。57.在步骤s1中，取大小合适的硅片，将适量的聚酰亚胺(pi)旋涂在硅片上，形成5～15μm的作为第一基底薄膜的聚酰亚胺薄膜，然后将硅片置于热台上进行预固化，最后放置在烘箱中以阶梯加热方式加热固化。这里，聚酰亚胺薄膜的厚度优选可以为10μm。58.在步骤s2中，将固化聚酰亚胺的硅片冷却至室温，利用电子束蒸发沉积有作为导电薄膜的金属薄膜，膜厚可以为200～400nm。这里，金属的材质可以为金。这里，膜厚优选可以为300nm。59.在步骤s3中，在沉积的金属薄膜上旋涂光刻胶，将带有设计好的图案的掩模版安装在光刻机上，对涂过的光刻胶进行曝光、显影，留下图案化后的光刻胶。这里，图案是导电层的各个导线所形成的第一图案。60.在步骤s4中，使用金属刻蚀液将被没有光刻胶保护的金属刻蚀，形成导电层，然后利用丙酮或者二次曝光技术去除光刻胶。61.在步骤s5中，在形成有导电层的聚酰亚胺薄膜上依次形成作为第二基底薄膜的聚酰亚胺薄膜、作为粘贴薄膜的沉积金属、以及光刻胶。将设计好图案的掩模版安装在光刻机上，对涂过的光刻胶进行第二次曝光、显影，留下图案化的光刻胶。这里，图案是基底层所形成的第二图案，金属的材质为铜。62.在步骤s6中，使用金属刻蚀液将没有被步骤s5的光刻胶保护的金属刻蚀，形成与步骤s5的掩模版图案一致的金属图案。63.在步骤s7中，利用丙酮或者二次曝光技术去除光刻胶。接着，进行反应离子刻蚀，对步骤s1和步骤s5中的聚酰亚胺薄膜的没有被步骤s6的金属图案保护的部分进行刻蚀。64.在步骤s8中，使用金属刻蚀液将金属图案刻蚀，得到最终的“基底层-导电层-基底层”的夹层结构2。65.以下，对本技术的柔性多稳态三维微结构的使用过程进行说明。66.将柔性衬底1夹持在双轴拉伸台上进行双轴预拉伸，使柔性衬底1在第一方向、第二方向上的预应变均保持在20％。然后，将夹层结构2从硅片上转印到双轴预拉伸的柔性衬底1上，并在第一端部连接部21a、21b和第二端部连接部22a、22b处用粘合剂将夹层结构2与柔性衬底1粘合，如图1所示。67.接着，释放柔性衬底1的沿着第一方向的预拉伸应变，保持沿着第二方向的预拉伸应变不变。此时，夹层结构2由于受到第一方向的压缩应变会发生失稳屈曲，由平面结构变形为隆起的三维结构，如图4所示。68.然后，布置一块作为磁场施加部的永磁铁，使其磁场方向沿着第三方向。将上述隆起的三维结构置于磁场b中，并通过两个外加电流源分别对夹层结构2中的两个导线3、4施加电流。通电时的导线在磁场中会受到安培力的作用，从而会使中间条带发生相应变形。接着释放柔性衬底1的第二方向的预拉伸应变，会使夹层结构2进一步屈曲成多种稳态结构。在本实施方式中，由于包括了两个中间条带，因此可通过调控外加电流的大小和方向使夹层结构2在以下四种稳态结构中进行切换。69.第一种稳态结构70.如图5所示，对夹层结构2施加向上的磁场b，将夹层结构2的左侧的导线接上外加电流i。其中，第一端部条带21的左端的电极接入电源负极，第二端部条带22的左端的电极接入电源正极，由f＝i×b可以判断出中间条带23在安培力的作用下往内侧凹。此外，将夹层结构2的右侧的导线接上外加电流源。其中，第一端部条带21的右端的电极接入电源正极，第二端部条带22的右端的电极接入电源负极，由f＝i×b可以判断出中间条带24在安培力的作用下往内侧凹。释放柔性衬底1的第二方向的预拉伸应变，第一端部条带21和所述第二端部条带22彼此靠近，会使夹层结构2进一步屈曲成如图5所示的第一种稳态结构。71.第二种稳态结构72.如图6所示，对夹层结构2施加向上的磁场b，将夹层结构2的左侧的导线接上外加电流i。其中，第一端部条带21的左端的电极接入电源负极，第二端部条带22的左端的电极接入电源正极，由f＝i×b可以判断出中间条带23在安培力的作用下往内侧凹。此外，将夹层结构2的右侧的导线接上外加电流源。其中，第一端部条带21的右端的电极接入电源负极，第二端部条带22的右端的电极接入电源正极，由f＝i×b可以判断出中间条带24在安培力的作用下往外侧凸。释放柔性衬底1的第二方向的预拉伸应变，第一端部条带21和所述第二端部条带22彼此靠近，会使夹层结构2进一步屈曲成如图6所示的第二种稳态结构。73.第三种稳态结构74.如图7所示，对夹层结构2施加向上的磁场b，将夹层结构2的左侧的导线接上外加电流i。其中，第一端部条带21的左端的电极接入电源正极，第二端部条带22的左端的电极接入电源负极，由f＝i×b可以判断出中间条带23在安培力的作用下往外侧凸。此外，将夹层结构2的右侧的导线接上外加电流源。其中，第一端部条带21的右端的电极接入电源负极，第二端部条带22的右端的电极接入电源正极，由f＝i×b可以判断出中间条带24在安培力的作用下往外侧凸。释放柔性衬底1的第二方向的预拉伸应变，第一端部条带21和所述第二端部条带22彼此靠近，会使夹层结构2进一步屈曲成如图7所示的第三种稳态结构。75.第四种稳态结构76.如图8所示，对夹层结构2施加向上的磁场b，将夹层结构2的左侧的导线接上外加电流i。其中，第一端部条带21的左端的电极接入电源正极，第二端部条带22的左端的电极接入电源负极，由f＝i×b可以判断出左侧的中间条带在安培力的作用下往外侧凸。此外，将夹层结构2的右侧的导线接上外加电流源。其中，第一端部条带21的右端的电极接入电源正极，第二端部条带22的右端的电极接入电源负极，由f＝i×b可以判断出右侧的中间条带在安培力的作用下往内侧凹。释放柔性衬底1的第二方向的预拉伸应变，第一端部条带21和所述第二端部条带22彼此靠近，会使夹层结构2进一步屈曲成如图8所示的第四种稳态结构。77.下面简单说明本技术的上述实施方式的部分有益效果。78.(1)本发明通过机械和电磁的协同作用来实现对三维结构形状的调控，以应用在需要改变结构形状和尺寸的场景。例如，当应用于通信领域需要展开成各种姿势收集信号的微天线时，可以通过控制外部电流源的方向、大小等来调节三维结构的形状，以满足通信需求。79.(2)可以通过远程调控金属导线中电流的大小和方向，对三维结构屈曲失稳后的稳态结构进行切换。例如，当应用于自适应胃肠道尺寸的传感器时，可以通过远程的操作装置来控制传感器的电流输入输出，从而控制三维结构的形状，避免划伤胃肠道。80.(3)通过先释放一个方向的预拉伸应变，再通过电磁作用产生一个具有诱导变形方向的作用的结构变形，最后再释放另一个方向的预拉伸应变，可以更加准确地得到需要形状，并且可以针对小尺度并且具有较大刚度的结构实现较大的驱动变形。81.可以理解，在本技术中，未特别限定部件或构件的数量时，其数量可以是一个或多个，这里的多个是指两个或更多个。对于附图中示出和/或说明书描述了部件或构件的数量为例如两个、三个、四个等的具体数量的情况，该具体数量通常是示例性的而非限制性的，可以将其理解为多个，即两个或更多个，但是，这不意味着本技术排除了一个的情况。82.应当理解，上述实施方式仅是示例性的，不用于限制本技术。本领域技术人员可以在本技术的教导下对上述实施方式做出各种变型和改变，而不脱离本技术的范围。83.(i)例如，虽然在本实施方式中，导电层包括两个导线，但是不限于此，导线的数量也可以多于两个。84.(ii)例如，虽然在本实施方式中，在第一端部条带和第二端部条带的两端分别设有第一端部连接部和第二端部连接部，但是不限于此，也可以不设置第一端部连接部和第二端部连接部，直接通过第一端部条带和第二端部条带的端部连接到柔性衬底1。85.(iii)例如，虽然在本实施方式中，第一方向和第二方向彼此垂直，但是不限于此。第一方向和第二方向也可以以锐角或者钝角的角度彼此交叉。86.(iv)例如，虽然在本实施方式中，中间条带在安培力的作用下发生变形，但是不限于此。第一端部条带和第二端部条带也可以在安培力的作用下发生变形。87.(v)例如，虽然在本实施方式中，柔性多稳态三维结构包括柔性衬底，但是不限于此。也可以通过微型器件来直接对夹层结构施加应变。