在多稳态三维微结构与可重构电磁器件方面取得重要进展学术资讯

来源：材料科学前沿

清华大学航院张一慧教授团队与合作者在《科学进展》（Science Advances）期刊发表了题为《通过自下而上的设计策略实现几何可重构三维细观结构与电磁器件》（Geometrically reconfigurable 3D mesostructures and electromagnetic devices through a rational bottom-up design strategy）的研究论文，系统报道了一种基于屈曲组装中的应变矢量调控实现几何可重构三维细观结构的系统化设计策略，并基于此策略实现了具备离散-连续双重调控能力的可重构天线，以及能实现多种不同工作模式的可重构线圈阵列等电磁器件。

可重构功能器件由于可以在不同的工作状态间迅速切换而愈发受到研究者们的关注，目前已经在信号传输、能量收集、生物信息采集等领域有重要的应用。传统实现可重构器件的途径主要可以分为两类，一类是利用包括射频开关、变容器等开关类电子部件控制电流在器件中的空间分布的可重构方案，但这些控制部件的引入往往会带来噪声或降低工作效率；另一类是基于主动材料，通过外部场（如电场、磁场、热场等）驱动器件的结构发生变形改变工作模式的可重构方案，但外部场需要不断的能量维持，且外部场的作用同样会带来其他负面影响，因此该途径在一些复杂条件下的应用具有局限性。

为解决上述问题，航院张一慧课题组提出了一套通过矢量调控屈曲组装实现几何可重构三维结构的策略，该策略基于屈曲组装中可重构力学机理的深入研究，实现了从简单单胞到复杂结构自下而上的系统化设计，实现了具备离散-连续双重调控能力的可重构电子器件，同时适用于广泛的高性能材料和较宽的特征尺度范围，因此在多种复杂应用场景下具有独特的优势。

图1：矢量调控实现结构几何可重构的概念示意图在该《科学进展》论文中，研究团队首先阐述了矢量调控实现三维几何可重构结构的基本概念，并用一个具有10种不同工作模式(以“T”“H”“U”3种典型工作模式为例)的3×3线圈天线阵列展示了该方法的应用途径；之后对于以圆弧形曲梁结构为代表的5种基本单胞的可重构性能进行了深入分析，揭示了基底引入的对称性破缺是结构可重构性的来源，并给出了几何参数空间内各类单胞可重构性能的分布规律以便于后续设计；基于上述的可重构单胞，从镜像、外延、叠加、交叉、阵列等5种不同的思路实现了复杂可重构结构的系统化设计，并给出了超过30种复杂可重构案例，相应的有限元仿真和实验结果对于结果的有效性进行了验证；基于上述的复杂可重构结构，设计并制备了天线辐射性能可调的可重构天线，该天线可以在多个不同的主方向上切换的同时保证谐振频率的稳定性。

图2：A、B图为基于可重构几何设计的单个可重构线圈天线平面构型和两种不同的三维构型，C图为单个天线不同几何构型下线圈内感应电压的比较；D,E图为将单个天线布置为阵列的俯视图和实验系统，F图为阵列的构型-释放角关系相图；G,H和I图为线圈天线阵列在三种典型构型“T”,“H”和“U”下的实验结果。比例尺，2mm

图3：A、B图为可重构方向图天线的示意图与实物图；C、D图代表不同构型下天线回波损耗的电磁数值模拟与实验结果；E， F图为这四种构型下天线的力学数值模拟与H面上辐射增益的模拟与实验结果。比例尺，2cm清华大学航院张一慧教授为本论文通讯作者。清华大学航院2016级博士生白柯为本文的第一作者，清华大学航院2017级博士生程旭，以及博士后薛兆国、宋洪烈和张帆为本文的共同作者。主要合作单位为合肥工业大学黄文教授课题组。该研究成果得到了国家自然科学基金项目、霍英东教育基金会高等院校青年教师基金项目、清华大学自主科研计划和清华信息科学与技术国家实验室的支持。

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