Science Advances：自下而上地设计几何可重构三维细观结构与电磁器件

可重构功能器件由于可在不同的工作模式间切换以适应多种需要，目前已经应用在信号传输、能量收集、生物信息采集等诸多领域。力学加载控制的几何可重构方法能够规避传统电路开关式可重构方法在功耗、噪声方面的问题，同时适用于广泛的高性能材料和较宽的特征尺度范围，因此在多种复杂应用场景下具有独特的优势。

最近，清华大学航天航空学院张一慧课题组在Science Advances上发表了题为“Geometrically reconfigurable 3D mesostructures and electromagnetic devices through a rational bottom-up design strategy”的研究论文，提出了一种自下而上实现复杂几何可重构微结构的设计策略，实现了多种基于该策略的高性能可重构微电磁器件。

2018年，张一慧课题组曾在Nature Materials合作发表研究论文 “Morphable 3D mesostructures and microelectronic devices by multistable buckling mechanics” (2018, 17: 268-276)，报道了一种利用非线性屈曲力学实现可重构细微结构及器件的新方法。由于缺乏对其力学机理的深入探究，已有研究中给出的结构形式较为单一，难以实现从简单到复杂多功能结构的自下而上设计。

本论文中提出了矢量调控超弹性基底加载的方案，更全面地利用了基底的应变空间，从而为相关力学机理的探明和自下而上的复杂结构设计提供了途径。一个典型的案例如图1所示，将由平面制造工艺（如光刻技术，激光切割技术等）得到的二维结构选择性地与预拉伸的超弹性基底粘接，通过改变基底预应变的释放方向，基底预应变全部释放后可以得到不同的三维构型。由于基底再次拉伸后可以将三维结构恢复为二维平面结构，合理设计后的结构在整个变形过程中不会进入塑性，因此整个过程是可逆的，进而得以实现几何构型的重构，其中三维构型与释放方向的关系如图1右下的相图表示。

图1：矢量调控实现结构几何可重构的概念示意图。 对于上述的力学引导几何可重构结构，其不同三维构型间具有直接的联系，不同加载方向会形成不同的初始几何缺陷，并诱导结构在后续变形中产生较大的差异。以图2所示的圆环形条带结构这样一种几何上最为简单的结构为例，通过在数值模拟中不考虑基底的接触作用，观察结构发生的自由屈曲变形可以发现，最终不同的三维构型实际上是关于基底平面的镜像。而如果进一步地将基底的接触作用以抬升的方式引入，则可以得到与实际情况相同的三维构型。以上的现象揭示了基底接触作用带来的对称性破缺是结构可重构性的关键来源。

图2：力学机理：基底接触作用带来的对称性破缺是结构可重构性的来源。比例尺，2mm。

除了如图2所示的圆环形条带结构外，张一慧课题组还发现了图3中包括对称椭圆结构，圆弧-相切直线组合结构，半椭圆弧-直线组合结构以及双相切圆弧等一系列具有简单几何构型的可重构单胞，这些单胞相比于圆弧形条带结构具备更强的可重构性以及更大的构型间差异，通过引入参数K可定量地表征可重构性的强弱，可以得到如图3E所示的可重构性与几何参数的关系，更好地指导后续复杂结构的设计。

图3：其他可重构单胞的设计与可重构性的分析。A,C,D图分别为对称椭圆结构，圆弧-相切直线组合结构以及双相切圆弧在几何参数空间上可重构性的分析，B图为A图中典型参数组合下的实验结果。E图为对称半椭圆与直线相切结构的可重构性分析，其中越深的颜色代表该参数组合的可重构能力越强，F图为E图中典型参数组合的实验结果与对应的相图。比例尺，2mm。 基于上述的可重构单胞和相应的构型-释放角的关系相图，可以非常简单地实现如图4所示自下而上的复杂可重构结构设计。依据单胞在组合结构内的角度与位置关系，可以由单胞的构型-释放角的关系相图直接地得到组合结构的构型-释放角关系相图，这样的过程得到了数值仿真与实验的验证。通过合理地设计结构内单胞的类型与角度关系，可以非常容易地得到具有多个不同三维构型的可重构几何。

图4：由简单可重构单胞到复杂可重构结构的自下而上设计。比例尺：2mm。

基于上述的可重构单胞的力学特性，本论文将线圈布置在结构中的合理位置，实现了如图5所示，具备两种不同工作模式的可重构线圈，通过调控线圈与布置在下方主线圈的距离，可以对电路中感应电压的大小进行调控，从而实现对线路中LED的明暗关系进行调节。而依据构型-释放角度关系相图，可以将多个线圈天线布置为整体的可重构线圈天线阵列，并实现10种不同的工作模式，包括典型的“T”，“H”和 “U”三种工作模式。图6则展示了一种具备多种不同辐射性能的可重构天线，通过将可重构天线单元合理地布置在平面上，可以得到一个具有9种不同方向的可重构天线，其工作频率在不同构型下都稳定在4.5GHz附近。

图5：A,B图为基于可重构几何设计的单个可重构线圈天线平面构型和两种不同的三维构型，C图为单个天线不同几何构型下线圈内感应电压的比较；D,E图为将单个天线布置为阵列的俯视图和实验系统，F图为阵列的构型-释放角关系相图；G,H和I图为线圈天线阵列在三种典型工作模式“T”,“H”和“U”下的实验结果。比例尺，2 mm。

图6：A，B图为可重构方向图天线的示意图与实物图；C，D图代表不同构型下天线回波损耗的数值模拟与实验结果；E图为天线的四种不同构型，F图为这四种构型下天线H面上辐射增益的模拟与实验结果。比例尺：2 cm。 清华大学航院张一慧教授为本论文通讯作者。清华大学航院2016级博士生白柯为本文的第一作者，清华大学航院2017级博士生程旭，以及博士后薛兆国、宋洪烈和张帆为本文的共同作者。主要合作单位为合肥工业大学黄文教授课题组。该研究成果得到了国家自然科学基金项目、霍英东教育基金会高等院校青年教师基金项目、清华大学自主科研计划和清华信息科学与技术国家实验室的支持。