清華新聞網(wǎng)7月23日電 7月22日，清華大學(xué)航院張一慧教授團(tuán)隊(duì)與合作者在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）期刊發(fā)表了題為《通過(guò)自下而上的設(shè)計(jì)策略實(shí)現(xiàn)幾何可重構(gòu)三維細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)與電磁器件》（Geometrically reconfigurable 3D mesostructures and?electromagnetic devices through a?rational bottom-up design strategy）的研究論文，系統(tǒng)報(bào)道了一種基于屈曲組裝中的應(yīng)變矢量調(diào)控實(shí)現(xiàn)幾何可重構(gòu)三維細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)策略，并基于此策略實(shí)現(xiàn)了具備離散-連續(xù)雙重調(diào)控能力的可重構(gòu)天線(xiàn)，以及能實(shí)現(xiàn)多種不同工作模式的可重構(gòu)線(xiàn)圈陣列等電磁器件。
可重構(gòu)功能器件由于可以在不同的工作狀態(tài)間迅速切換而愈發(fā)受到研究者們的關(guān)注，目前已經(jīng)在信號(hào)傳輸、能量收集、生物信息采集等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)器件的途徑主要可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是利用包括射頻開(kāi)關(guān)、變?nèi)萜鞯乳_(kāi)關(guān)類(lèi)電子部件控制電流在器件中的空間分布的可重構(gòu)方案，但這些控制部件的引入往往會(huì)帶來(lái)噪聲或降低工作效率；另一類(lèi)是基于主動(dòng)材料，通過(guò)外部場(chǎng)（如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、熱場(chǎng)等）驅(qū)動(dòng)器件的結(jié)構(gòu)發(fā)生變形改變工作模式的可重構(gòu)方案，但外部場(chǎng)需要不斷的能量維持，且外部場(chǎng)的作用同樣會(huì)帶來(lái)其他負(fù)面影響，因此該途徑在一些復(fù)雜條件下的應(yīng)用具有局限性。
為解決上述問(wèn)題，航院張一慧課題組提出了一套通過(guò)矢量調(diào)控屈曲組裝實(shí)現(xiàn)幾何可重構(gòu)三維結(jié)構(gòu)的策略，該策略基于屈曲組裝中可重構(gòu)力學(xué)機(jī)理的深入研究，實(shí)現(xiàn)了從簡(jiǎn)單單胞到復(fù)雜結(jié)構(gòu)自下而上的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了具備離散-連續(xù)雙重調(diào)控能力的可重構(gòu)電子器件，同時(shí)適用于廣泛的高性能材料和較寬的特征尺度范圍，因此在多種復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景下具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
圖1：矢量調(diào)控實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)幾何可重構(gòu)的概念示意圖
在該《科學(xué)進(jìn)展》論文中，研究團(tuán)隊(duì)首先闡述了矢量調(diào)控實(shí)現(xiàn)三維幾何可重構(gòu)結(jié)構(gòu)的基本概念，并用一個(gè)具有10種不同工作模式(以“T”“H”“U”3種典型工作模式為例)的3×3線(xiàn)圈天線(xiàn)陣列展示了該方法的應(yīng)用途徑；之后對(duì)于以圓弧形曲梁結(jié)構(gòu)為代表的5種基本單胞的可重構(gòu)性能進(jìn)行了深入分析，揭示了基底引入的對(duì)稱(chēng)性破缺是結(jié)構(gòu)可重構(gòu)性的來(lái)源，并給出了幾何參數(shù)空間內(nèi)各類(lèi)單胞可重構(gòu)性能的分布規(guī)律以便于后續(xù)設(shè)計(jì)；基于上述的可重構(gòu)單胞，從鏡像、外延、疊加、交叉、陣列等5種不同的思路實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜可重構(gòu)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，并給出了超過(guò)30種復(fù)雜可重構(gòu)案例，相應(yīng)的有限元仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于結(jié)果的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證；基于上述的復(fù)雜可重構(gòu)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并制備了天線(xiàn)輻射性能可調(diào)的可重構(gòu)天線(xiàn)，該天線(xiàn)可以在多個(gè)不同的主方向上切換的同時(shí)保證諧振頻率的穩(wěn)定性。
圖2：A、B圖為基于可重構(gòu)幾何設(shè)計(jì)的單個(gè)可重構(gòu)線(xiàn)圈天線(xiàn)平面構(gòu)型和兩種不同的三維構(gòu)型，C圖為單個(gè)天線(xiàn)不同幾何構(gòu)型下線(xiàn)圈內(nèi)感應(yīng)電壓的比較；D,E圖為將單個(gè)天線(xiàn)布置為陣列的俯視圖和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，F(xiàn)圖為陣列的構(gòu)型-釋放角關(guān)系相圖；G,H和I圖為線(xiàn)圈天線(xiàn)陣列在三種典型構(gòu)型“T”,“H”和“U”下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。比例尺，2mm
圖3：A、B圖為可重構(gòu)方向圖天線(xiàn)的示意圖與實(shí)物圖；C、D圖代表不同構(gòu)型下天線(xiàn)回波損耗的電磁數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果；E， F圖為這四種構(gòu)型下天線(xiàn)的力學(xué)數(shù)值模擬與H面上輻射增益的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。比例尺，2cm
清華大學(xué)航院張一慧教授為本論文通訊作者。清華大學(xué)航院2016級(jí)博士生白柯為本文的第一作者，清華大學(xué)航院2017級(jí)博士生程旭，以及博士后薛兆國(guó)、宋洪烈和張帆為本文的共同作者。主要合作單位為合肥工業(yè)大學(xué)黃文教授課題組。該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、霍英東教育基金會(huì)高等院校青年教師基金項(xiàng)目、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃和清華信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的支持。
論文鏈接：
https://advances.sciencemag.org/content/6/30/eabb7417
供稿：航天航空學(xué)院
編輯：周襄楠
