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

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。

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。

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。