据麦姆斯咨询报道，近期，浙江大学等机构的科研人员提出了一种受剪纸艺术（kirigami）启发的新型可重构电磁超构表面（metasurface），它由基于剪纸艺术的可变形聚酰亚胺（PI）衬底和周期性排列的铜（Cu）开口环形谐振器（SRR）组成。通过简单的拉伸，二维（2D）平面可重构电磁超构表面可以均匀地转化为三维（3D）状态，使其能够有效地、有选择地调制线性和圆偏振波。实验和数值结果揭示了应力作用下可重构电磁超构表面的机械变形和传输特性，表明了该可重构电磁超构表面具有良好的选择性传输可调性，而横向电（TE）偏振波和横向磁（TM）偏振波的谐振频率基本保持不变。此外，等效电路分析还说明了选择性调谐机制和几何参数的影响。
基于剪纸艺术的可重构电磁超构表面设计
可重构电磁超构表面包括基于剪纸艺术的可变形聚酰亚胺衬底和作为超构原子的周期性排列的铜开口环形谐振器，这是电磁超构表面中常用的功能结构。最初，在没有应力的情况下，可重构电磁超构表面保持二维平面状态。单轴拉伸时，可重构电磁超构表面发生面外变形，导致开口环形谐振器旋转。这种从二维结构到三维结构的转变改变了横向电和横向磁偏振波的传输特性，如图1a所示。
图1：基于剪纸艺术的机械可重构电磁超构表面示意图
图2：基于剪纸艺术的机械可重构电磁超构表面的力学分析
线性偏振波的可调谐和可选择的电磁响应
为了定量评价可重构电磁超构表面对电磁波的调谐能力，研究人员测量了不同拉伸应力水平下横向电和横向磁线性偏振波在8.2 GHz ~ 12.4 GHz频率范围内的传输特性。由于其在先进卫星通信中的广泛应用，研究人员考虑到8 GHz ~ 12 GHz无线电波频段（根据IEEE 521-2002标准也称为X波段）。实验结果表明，基于剪纸艺术的可重构电磁超构表面对线性偏振波的电磁响应可以通过改变施加应力的晶胞空间结构来选择性地调整。
图3：线性偏振波的可调谐和可选择的电磁响应
图4：基于剪纸艺术的可重构电磁超构表面的模拟表面电流分布
圆偏振波的可调谐和可选择的电磁响应
除了线性偏振波外，研究人员还研究了基于剪纸艺术的可重构电磁超构表面对圆偏振波的可调谐电磁响应，包括左旋圆偏振波（LCP）和右旋圆偏振波（RCP）。很明显，在初始二维平面状态下，圆二色性（CD）光谱消失，这意味着其没有自旋选择性传输。随着外加应力的增大，圆二色性光谱增大，这表明左旋圆偏振波和右旋圆偏振波的传输差异较大。值得注意的是，基于剪纸艺术的可重构电磁超构表面可以通过施加机械应力在非手性状态和手性状态之间切换。
图5：圆偏振波的可调谐和可选择的电磁响应
综上所述，这项研究引入了一种基于剪纸艺术的可重构电磁超构表面，它能够通过机械拉伸调整线性偏振波和圆偏振波的透射率。可重构电磁超构表面由在剪纸艺术衬底上的金属开口环形谐振器组成，可使用标准FPC工艺进行高效制造。研究人员通过仿真和实验验证了其传输特性，表明单轴应力可以调制谐振频率下的选择性传输。表面电流分析揭示了该可调制性背后的机制，对几何参数的研究表明，晶胞内的开口环形谐振器间距决定了应力下谐振频率的变化，而不会显著影响传输。对于横向电波，X方向开口环形谐振器间距的减小达到0%应变时谐振频率的移位，而当Y方向间距减小时，横向磁波没有观察到这种现象。由于可重构电磁超构表面变形和开口环形谐振器耦合的改变，施加应力会使两个偏振的谐振频率发生变化。
与以往的可调谐电磁超构表面相比，研究人员提出的可重构电磁超构表面具有重量轻、超薄和可变形的特点。通过控制该剪纸结构的平面内拉伸来控制旋转出平面的能力，可能对其它工程应用也有吸引力，比如跟踪智能太阳能电池、可变形的光电器件和先进卫星通信中的部署天线。例如，基于剪纸艺术的可重构电磁超构表面可以与空间卫星的太阳能电池板集成。在发射前，可重构电磁超构表面可以保持卷曲状态，该状态下体积非常小，可节省存储空间，之后逐渐展开，以实现所需的电磁功能。此外，可重构电磁超构表面还可以通过电机进一步拉伸，以动态调整空间中的电磁波。
该方法也有望在设计可变形的频率选择表面、负折射率材料、用于电或磁响应调制的超构表面以及完美的吸收材料方面取得进展。另一方面，剪纸设计策略也可以广泛应用于可拉伸和可变形射频（RF）器件的设计。此外，未来的研究还将涉及在更复杂的结构中探索开口环形谐振器方向与超构表面变形之间的相互作用，以进一步了解耦合动力学。展望更复杂的超构表面，其晶胞内的开口环形谐振器方向可精确定制，这项研究为新一代自适应电磁设备铺平了道路。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41528-024-00334-y
