變色龍是一種以皮膚變色而聞名的蜥蜴，為新型電磁材料的開發(fā)提供了靈感來源。由此開發(fā)的先進(jìn)材料有望使車輛和飛機(jī)在雷達(dá)面前“隱形”。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley）的研究人員開發(fā)出了一種可調(diào)諧超構(gòu)材料電磁波吸收器，它可以模仿變色龍的變色機(jī)制，按需在吸收、透射或反射電磁波之間切換。這項(xiàng)研究成果已經(jīng)以“A tunable metamaterial microwave absorber inspired by chameleon’s color-changing mechanism”為題發(fā)表于Science Advances期刊。
該研究的主要研究者、機(jī)械工程系助理教授Grace Gu說：“這項(xiàng)研究的重要發(fā)現(xiàn)之一，是在單一結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了寬帶吸收和高透過率的能力，提供了在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的適應(yīng)性。這種靈活性具有廣泛的應(yīng)用前景，例如，從隱形技術(shù)到先進(jìn)的通信系統(tǒng)和能量收集等。”
Gu表示，制造能夠有效吸收雷達(dá)或微波等電磁波的材料，是一項(xiàng)長期的技術(shù)挑戰(zhàn)。現(xiàn)有材料通常采用‘一刀切’的設(shè)計(jì)，它們在制成后的響應(yīng)是固定的，這就限制了它們在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用，而對于這些應(yīng)用，廣泛的適應(yīng)能力至關(guān)重要。
研究人員從變色龍身上獲得靈感，構(gòu)建了一種能夠動(dòng)態(tài)改變與電磁波相互作用方式的材料。變色龍通過調(diào)整皮膚中光子晶體之間的間距來調(diào)節(jié)光的反射，從而改變皮膚的顏色。
Gu和她的團(tuán)隊(duì)將類似的調(diào)諧機(jī)制應(yīng)用到了超構(gòu)材料的設(shè)計(jì)中。他們設(shè)計(jì)出了一種縱橫交錯(cuò)的桁架結(jié)構(gòu)，可以通過機(jī)械變換來控制其電磁特性。通過桁架結(jié)構(gòu)的折疊或展開（由相互連接的桁架系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的同步運(yùn)動(dòng)），這種超構(gòu)材料可以改變其從寬帶吸收到透射模式的電磁響應(yīng)。
變色龍的變色機(jī)制（上圖），以及利用這種生物啟發(fā)的可調(diào)諧超構(gòu)材料微波吸收器（下圖）
研究人員利用機(jī)器學(xué)習(xí)和遺傳算法優(yōu)化了該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)特定的、有針對性的電磁響應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)了一定程度的可編程能力。然后，他們利用3D打印技術(shù)制造了這種結(jié)構(gòu)，并測試了它在吸收和透射微波之間切換的能力。
該研究的第一作者、博士后研究員Daniel Lim說：“在折疊狀態(tài)下，這種結(jié)構(gòu)可以吸收90%以上4-18 GHz范圍內(nèi)的微波，從而使雷達(dá)無法發(fā)現(xiàn)它，有效地實(shí)現(xiàn)了‘隱形’。當(dāng)展開時(shí)，它可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)24.2%的信號(hào)透射，從而在需要時(shí)實(shí)現(xiàn)通信。”
通過超構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)變化調(diào)諧電磁波
據(jù)Lim介紹，這種由生物啟發(fā)的電磁材料有望用于國防、無線通信、能源和智能基礎(chǔ)設(shè)施等廣泛領(lǐng)域。
“在國防應(yīng)用中，這種可調(diào)諧超構(gòu)材料可用于制造在需要時(shí)對雷達(dá)隱形的車輛或飛機(jī)。”Lim說，“與此同時(shí)，它還能在需要時(shí)通過通信信號(hào)，從而在一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)提供隱形和連接功能。”
這種材料還可以用于制造智能窗戶，在阻擋和透射信號(hào)之間切換，從而改善隱私和通信安全。此外，Gu還設(shè)想用這種材料來提高電磁能量收集系統(tǒng)的效率，從而為傳感器和電池供電。
Gu說：“該設(shè)計(jì)的可調(diào)諧性使其能夠適應(yīng)不斷變化的需求，為電磁波管理提供一種多功能解決方案。”
陣列結(jié)構(gòu)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)和電磁響應(yīng)切換
論文信息：
DOI: 10.1126/sciadv.ads3499
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