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电磁器件的“折纸革命“：牛津《Sci. Reports》发布剪纸超材料

news 来源：原创 2025/6/1 22:45:23

前沿速递：顶尖团队破解行业难题

近日，牛津大学工程科学系杨云芳、Andrea Vallecchi、Ekaterina Shamonina、Christopher Stevens及游忠教授团队在《Scientific Reports》发表突破性研究，提出一类基于剪纸（Kirigami）艺术的可变形超材料，为可重构电磁系统（如天线、滤波器）提供低成本、免电路的解决方案。该成果有望解决5G/6G通信、可穿戴设备中多频段自适应调节的核心痛点。

摘要

这项研究的核心内容聚焦于一种受剪纸（kirigami）启发的新型可重构电磁结构。剪纸艺术以其独特的图案和可变形性而闻名，研究团队巧妙地将这种艺术形式引入到电磁材料的设计中。他们开发的多稳态机械超表面，能够通过改变剪纸图案的拓扑结构和形状，在不同的稳定配置之间切换，从而实现对电磁性能的动态调整。这些超表面由带有金属涂层的运动学单元组成，单元之间的相对旋转能够提供可调节的谐振电磁特性。通过调整剪纸的切口长度和几何参数，研究人员能够编程出不同配置的拓扑结构和形状，为电磁系统的重构提供了广阔的设计空间。

核心创新：当剪纸遇见电磁学

1. 灵感来源--千年剪纸的机械智慧

团队从剪纸艺术中提炼出两种核心结构：

三角形单元：水平拉伸时产生多稳态形变（类似手风琴），用于构建可调谐偶极子天线

星形单元：各向同性展开/闭合，实现频率选择表面（FSS）的机械重构

2. 革命性设计——无电路调频

传统电子调谐依赖二极管、MEMS开关等元件，存在功耗高、干扰大、成本高等缺陷。该研究通过纯机械变形改变超材料拓扑结构：

金属化橡胶基板：表面覆盖导电层（如铜箔）

多稳态锁定：拉伸后自动“卡扣”在预设形态，无需持续施力

动态电磁响应：不同构型对应独特谐振频率与波传播特性

关键技术突破：通过调节剪纸切口长度精确控制多稳态点，实现可靠形变锁定（图2）。

图1 超材料结构设计。

图 1

(a) 三角形单元图案和(d) 星形单元图案的设计参数。密铺形成的

(b) 三角形超材料和(e) 星形超材料的闭合状态与展开状态。具有(c) 三角形和(f) 星形图案的激光雕刻样品在闭合与展开状态下的照片。比例尺长度为 1 厘米。

图2 双稳态特性分析。

图 2

(a,b) 三角形图案的有限元仿真。

(c,d) 星形图案的有限元仿真。

图3

图 3

(a) 已实现的偶极子模型示意图。

(b) 测量装置中的样品原型。

(d) 仿真和实测调谐范围的对比。

图4

图 4

(a) 频率选择表面（FSS）样品。

(b) 实验装置。

(e) 星形剪纸结构FSS在闭合和完全展开状态下的实测与仿真透射率。

(f) 通过在星形图案中引入小型金属凹槽或微型弹簧（如单元结构插图中所示）而获得的开关式（开-关）FSS的仿真结果：这些结构在FSS闭合状态下起到短路槽缝（即定义剪纸图案的切割线）的作用，而在FSS被拉伸展开时，它们的存在几乎没有影响。

综述

研究团队展示了基于这种剪纸超表面的多种可重构电磁设备，包括可调谐的半波偶极天线和两种频率选择性表面（FSS）设计，分别具有各向同性和各向异性响应。剪纸偶极天线可以通过机械拉伸其臂来调整频率，而FSS在剪纸图案的稳定状态下展现出不同的透射和反射光谱。这些设备的功能不仅通过全波电磁仿真得到了验证，还通过实验得到了证实。这种可重构结构能够通过机械驱动来调整电磁响应的频率，或者为波传播引入各向异性，为电磁系统的设计带来了全新的思路。

艺术与科技的完美碰撞

从东方剪纸到革命性超材料，这项研究印证了跨学科创新的力量。随着可拉伸导体技术的成熟，这类“变形金刚”器件或将成为未来智能通信系统的核心组件，重新定义人与电磁波的交互方式。

DOI：https://doi.org/10.1038/s41598-022-27291-8

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