2-1 可弯曲柔性化设计在线视频

在我们的生活中

随处可见弯曲的

延展的物质与结构

自然 生活与艺术

也给电子结构设计

带来了无限的灵感

力学设计这个理念

很多是来源于仿生

看到很多人体也好

生物也好

他们都是可以通过自身的设计

来实现一种可延展性

从力学（设计）上来说

也是通过很巧妙的设计

来实现这一目的

柔性电子结构设计的核心

就是要使电子器件

实现可弯曲和可延展

那就是用同样的材料

如果能够在几何上做文章

把它能够从一个直的平的

想方设法做成弯曲的

那么就可以类似

把一根钢丝做成

一个钢丝弹簧一样

钢丝是不可拉伸的

钢丝弹簧就可拉伸了

就变成柔性了

不同的结构和理论由此而产生

将自然构造之精美

和生活艺术之巧妙

运用在柔性电子结构设计之中

让直线变成曲线

让整体变成局部

这正是柔性电子结构设计

妙不可言的神奇之处

大家好

我是来自清华大学的冯雪

接着上面的课程

今天我们来学习一下

柔性器件的结构设计理论

首先我们来认识一下

什么叫可展曲面和非可展曲面

一个曲面如果可以通过

单纯的平面弯曲来实现完全包裹

这样的曲面

我们称之为可展曲面

比如圆柱面

但如果不可以

通过平面单纯的弯曲

来实现完全包裹

这样的曲面

我们称之为非可展曲面

比如球面

下面我们以常见的创可贴

为例来说明这一概念

比如说你一不小心划破了手指

伤口的话在食指的非关节处

那么我用创可贴就可以环绕手指

把整个伤口完全的包裹

但是如果不巧

伤口在指尖肉的地方

大家可以想象一下

在这种情况下

单纯只使用创可贴

且不改变它原有的形状

就很难实现平坦的完全包裹

所以前者我们叫可展曲面

后者我们就是非可展曲面

这时候我们就需要弯曲

和延展的组合来实现

对非可展曲面的包裹

看一下

我们整个的人体

其实是个非常复杂的结构

我们的身体和组织大多

都是非可展曲面

比如说关节 耳朵 心脏等等

如果要实现电子器件

和人体紧密的贴合

从而来获取精准的数据

器件本身就必须可以

随着人体的动作来不断变形

也就是具备可弯曲

和可拉伸的特色

后面我们将介绍

如何通过结构设计分别

来实现可弯曲和可延展

举个例子

比如说我们要对折一张A4纸

很轻松

但是如果我给你100张A4纸

让你整叠的对折就会很费力

同样的

对于相同厚度的A4纸大小的

橡胶圈和钢板

橡胶圈很容易实现对折

但是钢板你就必须要借助外力了

其实简单来讲

弯曲刚度在这里起着

决定性的作用

弯曲刚度和材料本征参量

弹性模量成正比的

同时又和厚度的三次方成正比

折弯一包A4纸

要比一张A4纸费力很多

是因为其厚度的增大

导致其弯曲刚度增大至

原来的三次方倍

而同样橡胶垫和钢板的例子

是因为钢这种材料的弹性模量

要远远大于橡胶

这也就是钢板不容易折弯的原因

我们来看一下这张图

梁弯曲后

下面这层会发生伸长变形

而上面这一层会发生缩短变形

在这两层中间交界处的那一层

既不发生伸长

也不发生缩短

这一层被称为梁的中性层

或中性面

我们再来看一看中性层

和梁的横截面的交线

成为截面的中轴线

由于中性层没有伸长也没有缩短

所以中性层上的应变为0

这个例子可以给柔性器件的

功能层设计

提供一定的理论指导

所以通过刚刚我们所讲的

中性层的例子

研究者就应用了这个理论

通过来增加缓冲层

将功能层调节到中性层的位置

大大降低了功能层

在弯曲过程中的应变

从而确保在功能层的

承载范围之内

尽可能的去增加器件的

可弯曲特性