复刻穿山甲鳞片结构！科学家研发仿生可拉伸微波吸收材料，刚柔相济更抗压 | 专访

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穿山甲不仅是一种国家保护动物，也是动画片《葫芦兄弟》中的角色，在该剧中为救二娃和老翁，穿山甲被蝎子精抓住掉下悬崖摔死，而很多人正是通过这部片子认识了穿山甲。

（来源：soogif）

而在最近，新加坡南洋理工大学华人科学家陈晓东教授团队以穿山甲为灵感，制备出一种穿山甲超鳞片。

（来源：Advanced Materials）

8 月 25 日，相关论文以《受穿山甲启发的可伸缩的微波隐形亚鳞片》(Pangolin-Inspired Stretchable, Microwave-Invisible Metascale )为题发表在 Advanced Materials 上。

陈晓东告诉 DeepTech，近年来，微波隐形装置技术广泛应用于软体机器人、变形结构、形貌伪装和电子对抗中。不幸的是，由于传统微波吸收结构受拉伸能力的限制，大大限制了它在可变形或异形目标上的应用。

为克服这些局限性，同时受穿山甲的启发，陈晓东教授团队提出一种软-硬连接策略——超鳞片结构。这种以穿山甲为灵感的超鳞片（PIMS，Pangolin-inspired metascale），是一种由电磁耗散鳞片（electromagnetic dissipative scale）和弹性体组成的可拉伸超结构。

在 50% 拉伸的干扰下，该装置表现出较强的微波吸收能力。此外，得益于电磁耗散鳞片的覆盖效应和尺寸限制效应，穿山甲超鳞片的面外压入失效力有巨大的提升。

陈晓东教授表示：“我们提出的结构为一大批可拉伸的复杂表面共形结构和微波隐形器件开辟了一条新道路。”

（来源：Advanced Materials）

打破可拉伸限制

可伸缩材料的不断发展，让软体机器人、变形结构和形貌伪装技术得到了快速发展，这进一步提高了可拉伸的微波隐形材料在电子对抗应用中的需求。

而柔性微波隐形结构的应用范围也得到了扩展，特别是在柱面、锥面和切线曲面等可展曲面的应用中。但是，对于更复杂的目标应用场景，可拉伸的结构是不可替代的。

然而，目前的微波隐形材料主要基于拉伸受限吸波超结构、以及粉末基吸波材料，这并不能满足可拉伸性的要求。

此外，微波吸收超结构一般由三层组成：周期性排列的导电图案层（ECP）、介电间隔层和完美导体层（PEC）。为保持导电图案几何性质和物理性能的稳定性，人们一般选择刚性材料作为介电层，这极大地阻碍了整个器件的可拉伸性。

粉末吸收材料是被研究最多的微波吸收材料，这是一种利用电损耗和磁损耗材料吸波的热点材料，正在引起人们的广泛关注。

但是，大多数报道的粉末吸收剂需要进一步加工成块体结构，以形成固体致密的体状方式，这明显限制了达到可拉伸性标准的机会。

（来源：Advanced Materials）

一直以来，微波隐形材料经常被用作目标外的功能性覆盖层，目的是保护目标不被探测到。

科学家们一直从大自然获取灵感，这次陈晓东将目光投入到穿山甲中，这种动物属于穿山甲目，皮肤上有一层保护性的角蛋白鳞片，这些鳞片相互重叠，形成一个不可穿透的盾牌，在受到捕食者的威胁时保护自己。

同时，将鳞片连接在一起的重叠关节使身体具有相当大的灵活性。这种连接机制本质上保留了刚性鳞片的优点和柔性皮肤的优点。因此，穿山甲鳞片的连接方法，可以给制造可拉伸和微波隐形器件提供启示。

为此，受穿山甲的启发，陈晓东教授团队提出了一种新型软-硬连接策略。当把刚性鳞片以周期性的方式，安装在可拉伸的基底上，每个鳞片与其相邻的鳞片互有重叠。

这种可拉伸结构，让整个装置具有较高的拉伸能力和柔性变形能力。而且，重叠鳞片具备变形免疫的特性，在结构变形时鳞片的几何尺寸和相关特性都可保持不变。

此外，这种重叠的刚性鳞片，也能保护可拉伸基底免受面外穿刺损伤。利用这一策略，该团队提出了一种穿山甲超鳞片，并结合了高可拉伸性和微波吸收能力。

图 | 穿山甲超尺度（来源：Advanced Materials）

它的具体构成如下：每四个导电图案单元转印在聚酰亚胺薄膜上，借此形成一个高性能电磁耗散鳞片。每个电磁耗散鳞片，会和周围的 8 个相邻鳞片重叠，并以正方形晶格的形式排列在在聚二甲基硅氧烷上，从而形成穿山甲超鳞片。

聚二甲基硅氧烷可给予整个器件较高的可拉伸性，当穿山甲超鳞片被拉伸时，作为刚体的电磁耗散鳞片可随基体一起移动，同时导电图案的几何尺寸和电导率还可保持不变，从而借此保持微波吸收能力。

（来源：Advanced Materials）

此外，由于电磁耗散鳞片的覆盖效应和尺寸限制效应，穿山甲超鳞片大大增强了平面外压入失效力，借此可保护可拉伸基体免受平面外穿刺损伤。

另据悉，穿山甲超鳞片可被紧密贴合在不可展的曲面上：对于球形表面，穿山甲超鳞片最大雷达散射截面（RCS）减少 20.2dB，比传统器件大 6.3dB；而对于马鞍面，穿山甲超鳞片的 10 dB RCS带宽达到了 9GHz，比传统器件提高了 83%，因此在微波吸收方面有很强的鲁棒性。

提出光刻和真空过滤相结合的混合方法

为了实现预期的微波吸收能力，还得采用高精度的制造方法。为此，陈晓东提出一种光刻和真空过滤相结合的混合方法。

据悉，光刻技术广泛应用于微结构加工中，具有定位精度高的优点。而对于真空过滤，可通过改变悬浮液体积灵活调节沉淀厚度，进一步调节表面电阻。因此，结合这两种方法可以很好地确保几何参数和物理参数的高精度。

下图是电磁耗散规模的典型制造过程。首先，在亲水性尼龙滤膜上上光刻 SU-8。

图 | 电磁耗散规模的典型制造过程（来源：Advanced Materials）

随后，通过真空过滤法将单壁碳纳米管沉积在滤膜上，以制作电导图案的阵列。SU-8 使得单壁碳纳米管溶液只能穿透尼龙部分，并能形成相应形状。

然后，将导电图案阵列转移到聚酰亚胺胶片上，以便开发电磁耗散鳞片的阵列。最后，将电磁耗散鳞片阵列切割成单个的电磁耗散鳞片单元，即可制备出穿山甲超鳞片。

模拟穿山甲的抗咬功能

为了模拟穿山甲的抗咬功能，陈晓东进行了面外压入试验。作为对照实验，他还测试了其他三种结构。随着压头位移的增加，所有四种试样均表现出显著的非线性响应。

图 | 所有四种试样均表现出显著的非线性响应（来源：Advanced Materials）

为了明确展示穿山甲超鳞片比传统结构的优势，该团队把穿山甲超鳞片和 Con-I（通过直接转移导电图案阵列来制造）应用于球形表面和马鞍面表面。

在微波暗室中测量后的实验结果表明，穿山甲超鳞片和 Con-I 在整个测量频谱中均显著抑制了微波散射。对于球形表面，穿山甲超鳞片的最大雷达散射截面（RCS）损耗比传统器件 Con-I大6.3dB，而对于马鞍面，10dB 雷达散射截面损失的带宽提高了 83%。在用途上，它可用于开发可拉伸结构或具有不可展曲面的功能设备。

与 Con-I 相比，穿山甲超鳞片消耗了更多的电磁能量。这种特殊优势是因为对于 Con-I，导电图案与基底同步变形，导致几何尺寸和电导率都发生变化，削弱了微波吸收能力。

为设计可拉伸功能器件提供新途径

受穿山甲鳞片重叠排列的启发，陈晓东教授团队提出了一种概念上新颖的软-硬连接策略。利用这一策略，他们合理地设计和制造了一个由电磁耗散鳞片和弹性体基体组成的穿山甲超鳞片。

同时获得了两种特定的拮抗功能，即对微波吸收能力和抗穿透能力的稳定性。弹性基质赋予穿山甲超鳞片较高的拉伸性和非可展曲面的共形贴附能力。

在三维球形表面的案例中，最大应变甚至超过 40%，大大超过了传统柔性器件的失效应变极限。

电磁耗散鳞片的重叠排列使穿山甲超鳞片在机械变形干扰下具有鲁棒的微波吸收能力。

实验结果表明，在均匀变形（单轴拉伸)和非均匀变形(球形表面或马鞍面）的干扰下，他们提出的穿山甲超鳞片能很好地保持微波吸收能力。

得益于电磁耗散鳞片的覆盖效应和尺寸限制效应，穿山甲超鳞片的面外压入失效力显著增强。

陈晓东教授团队提出的可拉伸的、微波隐形的的超鳞片为设计可拉伸功能器件提供了一条新的途径。

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