自下而上地設計幾何可重構三維細觀結構與電磁器件
2020-07-24 知社學術圈
可重構功能器件由於可在不同的工作模式間切換以適應多種需要，目前已經應用在信號傳輸、能量收集、生物信息採集等諸多領域。力學加載控制的幾何可重構方法能夠規避傳統電路開關式可重構方法在功耗、噪聲方面的問題，同時適用於廣泛的高性能材料和較寬的特徵尺度範圍，因此在多種複雜應用場景下具有獨特的優勢。
最近，清華大學航天航空學院張一慧課題組在Science Advances上發表了題為「Geometrically reconfigurable 3D mesostructures and electromagnetic devices through a rational bottom-up design strategy」的研究論文，提出了一種自下而上實現複雜幾何可重構微結構的設計策略，實現了多種基於該策略的高性能可重構微電磁器件。
2018年，張一慧課題組曾在Nature Materials合作發表研究論文 「Morphable 3D mesostructures and microelectronic devices by multistable buckling mechanics」 (2018, 17: 268-276)，報導了一種利用非線性屈曲力學實現可重構細微結構及器件的新方法。由於缺乏對其力學機理的深入探究，已有研究中給出的結構形式較為單一，難以實現從簡單到複雜多功能結構的自下而上設計。
本論文中提出了矢量調控超彈性基底加載的方案，更全面地利用了基底的應變空間，從而為相關力學機理的探明和自下而上的複雜結構設計提供了途徑。一個典型的案例如圖1所示，將由平面製造工藝（如光刻技術，雷射切割技術等）得到的二維結構選擇性地與預拉伸的超彈性基底粘接，通過改變基底預應變的釋放方向，基底預應變全部釋放後可以得到不同的三維構型。由於基底再次拉伸後可以將三維結構恢復為二維平面結構，合理設計後的結構在整個變形過程中不會進入塑性，因此整個過程是可逆的，進而得以實現幾何構型的重構，其中三維構型與釋放方向的關係如圖1右下的相圖表示。
圖1：矢量調控實現結構幾何可重構的概念示意圖。
對於上述的力學引導幾何可重構結構，其不同三維構型間具有直接的聯繫，不同加載方向會形成不同的初始幾何缺陷，並誘導結構在後續變形中產生較大的差異。以圖2所示的圓環形條帶結構這樣一種幾何上最為簡單的結構為例，通過在數值模擬中不考慮基底的接觸作用，觀察結構發生的自由屈曲變形可以發現，最終不同的三維構型實際上是關於基底平面的鏡像。而如果進一步地將基底的接觸作用以抬升的方式引入，則可以得到與實際情況相同的三維構型。以上的現象揭示了基底接觸作用帶來的對稱性破缺是結構可重構性的關鍵來源。
圖2：力學機理：基底接觸作用帶來的對稱性破缺是結構可重構性的來源。比例尺，2mm。
除了如圖2所示的圓環形條帶結構外，張一慧課題組還發現了圖3中包括對稱橢圓結構，圓弧-相切直線組合結構，半橢圓弧-直線組合結構以及雙相切圓弧等一系列具有簡單幾何構型的可重構單胞，這些單胞相比於圓弧形條帶結構具備更強的可重構性以及更大的構型間差異，通過引入參數K可定量地表徵可重構性的強弱，可以得到如圖3E所示的可重構性與幾何參數的關係，更好地指導後續複雜結構的設計。
圖3：其他可重構單胞的設計與可重構性的分析。A,C,D圖分別為對稱橢圓結構，圓弧-相切直線組合結構以及雙相切圓弧在幾何參數空間上可重構性的分析，B圖為A圖中典型參數組合下的實驗結果。E圖為對稱半橢圓與直線相切結構的可重構性分析，其中越深的顏色代表該參數組合的可重構能力越強，F圖為E圖中典型參數組合的實驗結果與對應的相圖。比例尺，2mm。
基於上述的可重構單胞和相應的構型-釋放角的關係相圖，可以非常簡單地實現如圖4所示自下而上的複雜可重構結構設計。依據單胞在組合結構內的角度與位置關係，可以由單胞的構型-釋放角的關係相圖直接地得到組合結構的構型-釋放角關係相圖，這樣的過程得到了數值仿真與實驗的驗證。通過合理地設計結構內單胞的類型與角度關係，可以非常容易地得到具有多個不同三維構型的可重構幾何。
圖4：由簡單可重構單胞到複雜可重構結構的自下而上設計。比例尺：2mm。
基於上述的可重構單胞的力學特性，本論文將線圈布置在結構中的合理位置，實現了如圖5所示，具備兩種不同工作模式的可重構線圈，通過調控線圈與布置在下方主線圈的距離，可以對電路中感應電壓的大小進行調控，從而實現對線路中LED的明暗關係進行調節。而依據構型-釋放角度關係相圖，可以將多個線圈天線布置為整體的可重構線圈天線陣列，並實現10種不同的工作模式，包括典型的「T」，「H」和 「U」三種工作模式。圖6則展示了一種具備多種不同輻射性能的可重構天線，通過將可重構天線單元合理地布置在平面上，可以得到一個具有9種不同方向的可重構天線，其工作頻率在不同構型下都穩定在4.5GHz附近。
圖5：A,B圖為基於可重構幾何設計的單個可重構線圈天線平面構型和兩種不同的三維構型，C圖為單個天線不同幾何構型下線圈內感應電壓的比較；D,E圖為將單個天線布置為陣列的俯視圖和實驗系統，F圖為陣列的構型-釋放角關係相圖；G,H和I圖為線圈天線陣列在三種典型工作模式「T」,「H」和「U」下的實驗結果。比例尺，2 mm。
圖6：A，B圖為可重構方向圖天線的示意圖與實物圖；C，D圖代表不同構型下天線回波損耗的數值模擬與實驗結果；E圖為天線的四種不同構型，F圖為這四種構型下天線H面上輻射增益的模擬與實驗結果。比例尺：2 cm。
清華大學航院張一慧教授為本論文通訊作者。清華大學航院2016級博士生白柯為本文的第一作者，清華大學航院2017級博士生程旭，以及博士後薛兆國、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大學黃文教授課題組。該研究成果得到了國家自然科學基金項目、霍英東教育基金會高等院校青年教師基金項目、清華大學自主科研計劃和清華信息科學與技術國家實驗室的支持。
https://advances.sciencemag.org/content/6/30/eabb7417
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