Una nueva clase de metamateriales de kirigami transformables para sistemas electromagnéticos reconfigurables
Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 1219 (2023) Citar este artículo
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El rápido desarrollo de componentes de radiofrecuencia (RF) requiere materiales multifuncionales inteligentes que puedan adaptar sus formas físicas y propiedades según el entorno. Si bien la mayoría de los sistemas reconfigurables actuales brindan una flexibilidad limitada con un alto costo de fabricación, esta investigación propone aprovechar las propiedades transformables de las metasuperficies mecánicas multiestables inspiradas en el kirigami que pueden deformarse y bloquearse repetidamente en diferentes configuraciones para realizar una nueva clase de estructuras electromagnéticas reconfigurables de bajo costo con un amplio espacio de diseño. Las metasuperficies se forman mediante el diseño de celdas unitarias de base cinemática con revestimiento metalizado que pueden proporcionar propiedades electromagnéticas (EM) resonantes ajustables mientras giran entre sí. Adaptando la longitud de corte y los parámetros geométricos de los patrones, demostramos la programación de las topologías y formas de diferentes configuraciones. La influencia de parámetros críticos en la multiestabilidad estructural se ilustra mediante un modelo energético simplificado y simulaciones de elementos finitos. Como ejemplos de dispositivos electromagnéticos reconfigurables que se pueden realizar, informamos el desarrollo de un dipolo de media onda sintonizable y dos diseños de superficie selectiva de frecuencia (FSS) con respuestas isotrópicas y anisotrópicas. Si bien el dipolo de kirigami se puede sintonizar estirando mecánicamente sus brazos, los FSS exhiben espectros de transmitancia y reflectancia distintos en cada uno de los estados estables de los patrones de kirigami. La funcionalidad de estos dispositivos kirigami está validada tanto mediante experimentos como simulaciones EM de onda completa. Las estructuras transformables propuestas pueden accionarse mecánicamente para sintonizar la respuesta EM en frecuencia o inducir anisotropías para la propagación de ondas.
La expansión de las comunicaciones inalámbricas y la creciente diversidad de servicios inalámbricos avanzados han dado lugar a una creciente demanda de sistemas electromagnéticos (EM) reconfigurables capaces de soportar una movilidad fluida de los usuarios a través de diferentes tecnologías de acceso inalámbrico. Entre los componentes clave para diseñar arquitecturas de transmisores y receptores multiestándar se encuentran las antenas sintonizables y las superficies selectivas de frecuencia (FSS) reconfigurables. En la mayoría de los diseños de antenas sintonizables y SFS, la reconfigurabilidad se logra cambiando los patrones de corriente en la antena o celda unitaria de los SFS utilizando interruptores, como diodos pin e interruptores microelectromecánicos (MEMS), o cargando las estructuras con diodos varactor, que proporcionan una capacitancia controlada por voltaje variable1,2,3,4. Sin embargo, los circuitos de polarización y control necesarios para accionar estos componentes activos aumentan la complejidad del sistema y pueden ser fuente de interferencias y reflexiones, además de introducir pérdidas de conducción adicionales, contribuyendo así a la reducción del rendimiento general, especialmente a altas frecuencias. .
Recientemente, se han propuesto nuevos enfoques para ajustar la respuesta de componentes electromagnéticos basados en transformación mecánica. En el FSS compuesto por resonadores cerámicos con diferentes respuestas de parada de banda bajo incidencias frontales y laterales desarrollado en5, la respuesta se puede reconfigurar entre dos bandas de parada adyacentes simplemente cambiando mecánicamente la orientación de los resonadores cerámicos. Particularmente interesante es una familia de metamateriales mecánicos que pueden explotar el comportamiento de transformación de formas para ajustar sus propiedades mecánicas y dieléctricas6,7,8,9. Los metamateriales mecánicos con una flexibilidad estructural superior pueden tener una baja pérdida electromagnética para ondas milimétricas, al tiempo que requieren costos de fabricación comparativamente bajos; esto los convierte en candidatos atractivos para la realización de componentes electromagnéticos reconfigurables, que son cruciales para muchos sectores, como las próximas generaciones de sistemas de comunicaciones inalámbricas, 5G y más allá, que admiten aplicaciones multimodo y multibanda10,11,12, y por lo tanto que requieren antenas reconfigurables multifunción para reemplazar múltiples antenas heredadas de función única13,14,15,16. Sensores reconfigurables para la extracción y el monitoreo remotos no destructivos de diversas cantidades, como la tensión, el material dieléctrico y las propiedades del líquido17,18, y la electrónica portátil19, donde las capacidades de remodelación pueden aumentar la adaptabilidad y la conformidad de la plataforma electrónica con el cuerpo humano y, por lo tanto, pueden ser instrumentales. para tecnologías biomédicas20,21.
Generalmente, la reconfiguración mecánica puede tener algunas ventajas con respecto a los componentes electrónicos; por ejemplo, no requeriría voltajes de polarización altos y, por lo tanto, no requeriría circuitos de control de polarización que puedan agregar complejidad y pérdidas al sistema. Además, en los metamateriales mecánicos no hay componentes de frecuencia espurios debido a la no linealidad de los dispositivos activos, y se prestan a aplicaciones de alta potencia porque no hay riesgo de falla eléctrica. Por otro lado, el uso de materiales sintonizables como ferroeléctricos, ferritas y cristales líquidos, cuyas propiedades eléctricas pueden controlarse mediante la aplicación de polarización externa (por ejemplo, calor, campo eléctrico o magnético, radiación óptica, etc.), normalmente requiere altos voltajes de polarización o alto consumo de energía CC y muestran una sensibilidad no deseada a las variaciones térmicas. Como posible inconveniente, los dispositivos de RF reconfigurables mecánicamente tienden a tener una respuesta de sintonización relativamente más lenta, que sin embargo puede mejorarse mediante el uso de materiales y métodos de fabricación adecuados e implementaciones específicas del actuador mecánico externo requerido para lograr un despliegue más rápido. En 22,23 se pueden encontrar revisiones completas de las aplicaciones de diferentes técnicas de sintonización, incluida la actuación mecánica, los materiales sintonizables y los dispositivos electrónicos integrados, con sus ventajas y desventajas, con referencia en particular a las metasuperficies.
Esta investigación tiene como objetivo aprovechar las propiedades transformables de los metamateriales mecánicos para desarrollar una nueva clase de dispositivos electromagnéticos reconfigurables. Al diseñar celdas unitarias de base cinemática que pueden girar entre sí y al equipar cada unidad con elementos metalizados para proporcionar propiedades electromagnéticas resonantes ajustables, podemos accionar mecánicamente la estructura transformable para sintonizar la respuesta EM en frecuencia o inducir anisotropías para las ondas. propagación.
Las estructuras basadas en origami se han sugerido previamente como una solución para crear FSS desplegables y sintonizables de estado continuo, en los que un patrón de origami permite el cambio en la forma general de la estructura que proporciona la reconfigurabilidad deseada24,25,26; sin embargo, la deformación fuera del plano de las estructuras de origami dificulta su aplicación en componentes planos construidos de forma compacta. También se han propuesto estructuras auxéticas planas con elementos inducidos por pandeo para aplicaciones de compatibilidad electromagnética27,28. Estos mecanismos cinemáticos suelen tener pequeñas deformaciones continuas; por lo tanto, necesitan un control preciso para implementar las configuraciones específicas que proporcionen la respuesta de frecuencia variable deseada. Lograr una conmutación robusta y estable entre varias configuraciones es un gran desafío y generalmente requiere que se mantenga un estado pretensado en la estructura29. Para abordar este problema, desarrollamos una estructura multiestable que puede bloquearse repetidamente en varias configuraciones, con distintas respuestas EM. Las estructuras multiestables tienen múltiples estados de equilibrio donde la energía potencial alcanza mínimos locales, por lo que la estructura tiende automáticamente a permanecer en estas configuraciones, lo que les da una ventaja significativa sobre las estructuras de movimiento continuo para materiales conmutables30,31.
Los diseños multiestables que desarrollamos en este trabajo están inspirados en kirigami art32. Al ajustar la longitud de corte y los parámetros geométricos de los patrones, demostramos la programación de las topologías y formas de diferentes configuraciones. Se presentan ambos resultados basados en un modelo energético simplificado y simulaciones de elementos finitos para ilustrar la influencia de parámetros críticos en la biestabilidad estructural. Mostramos que estas estructuras pueden explotarse para realizar una variedad de dispositivos electromagnéticos reconfigurables. En particular, nos centramos en el desarrollo de un dipolo de media onda sintonizable y dos diseños de FSS, uno de los cuales exhibe una respuesta isotrópica mientras que el otro es anisotrópico. Tanto el dipolo como los FSS se pueden realizar creando una capa eléctricamente conductora/metálica en un lado de la lámina de caucho sobre la que se corta el patrón de kirigami; Otra opción sería formar la estructura del kirigami con un material de alta permitividad, pero en este trabajo nos centramos en el primer enfoque. Una vez cubierta con una metalización adecuada, la respuesta del dipolo de kirigami se puede ajustar estirando mecánicamente sus brazos, mientras que las metasuperficies de kirigami se comportarían como FSS que exhiben espectros de transmitancia y reflectancia específicos en cada uno de sus estados estables.
El documento tiene la siguiente estructura. La sección "Resultados" presenta las simulaciones y experimentos realizados para validar la funcionalidad de los dispositivos kirigami propuestos. En la sección "Discusión y conclusiones", se analiza el enfoque de fabricación y se extraen las observaciones finales, mientras que los detalles del análisis de energía estructural se delega a la sección de Materiales complementarios.
Nos centramos en patrones de kirigami que tienen la siguiente característica: (1) el estado cerrado del metamaterial no tiene vacíos para imitar una pantalla conductora; (2) los estados estables de los metamateriales son estructuras planas para comportarse como superficies planas selectivas de frecuencia; (3) el metamaterial tiene comportamientos biestables por lo que puede bloquearse en varios estados estables. Siguiendo este camino, nos inspiramos en los motivos geométricos del kirigami y el diseño de estructuras biestables. Nos centramos particularmente en dos diseños: un patrón de triángulo que puede alargarse en una sola dirección y un patrón de estrella que puede desplegarse ortotópicamente. Al girar el elemento triangular en las celdas unitarias, el patrón puede expandirse a múltiples configuraciones y retener la deformación después de que se libera la carga.
Como se muestra en la Fig. 1a, la unidad del patrón de corte triangular comprende ocho triángulos conectados entre sí en sus vértices mediante ligamentos delgados. Cuando la unidad se estira horizontalmente, los ligamentos delgados actúan como bisagras de flexión y los triángulos son capaces de girar alrededor de los vértices de conexión con respecto a los adyacentes. Este despliegue genera tres vacíos cuadriláteros dentro de la celda unitaria. Cuando la celda unitaria se estira a una configuración específica, puede bloquearse en un estado abierto. Para recuperar la celda unitaria a su configuración original, es necesario aplicar un par de fuerzas de compresión a la celda unitaria para permitir que vuelva al estado cerrado. Teselar la celda unitaria en dirección horizontal y vertical crea una metasuperficie. La Figura 1b muestra un ejemplo que consta de celdas de 2 × 3 unidades. Cuando se someten a un estiramiento o compresión uniforme horizontalmente, las celdas unitarias de la misma columna tendrán movimientos equivalentes porque su ancho está limitado por las unidades superiores e inferiores adyacentes; por otro lado, en cada fila, las celdas unitarias pueden bloquearse en diferentes configuraciones, lo que da lugar a una función multiestable (Película M1). De esta forma, podemos generar metasuperficies con diferentes topologías desplegando ciertas columnas de la misma estructura (Movie M2). La Figura 1c muestra un metamaterial del mismo patrón realizado mediante grabado con láser una lámina de caucho en sus estados abierto y cerrado correspondientes a los de la Fig. 1b.
Diseño de estructuras metamateriales. Parámetros de diseño de la unidad con (a) patrón triangular y (d) patrón de estrella. Los estados cerrado y abierto del metamaterial triangular teselado (b) y (e) metamaterial estrella. Fotografía de la muestra grabada con láser con patrones (c) triangulares y (d) estelares, en sus estados cerrado y abierto. La longitud de la barra de escala es de 1 cm.
La deformación del metamaterial se puede modelar como un conjunto de mecanismos planos. Si asumimos que el espesor de las bisagras de flexión es cero, es decir, los triángulos tienen una conexión ideal de vértice a vértice, la transformación de la estructura puede considerarse como un movimiento mecánico donde todas las piezas triangulares son cuerpos rígidos (Materiales suplementarios S2) . Sin embargo, en el proceso real de deformación del material, la estructura no presenta bisagras perfectas en los vértices. En cambio, las bisagras de flexión se doblan y enderezan durante la transformación, lo que conduce a una variación de la energía de deformación elástica. Esto da como resultado múltiples estados estables, desde el estado cerrado hasta el estado abierto completamente implementado. En otras palabras, la metalámina es capaz de permanecer en varias formas deformadas incluso si se elimina la carga.
Si bien el patrón de triángulo anterior puede alargarse en una sola dirección, desarrollamos aún más un patrón de estrella que puede desplegarse isotrópicamente. Como se muestra en la Fig. 1d, la celda unitaria consta de ocho pequeños triángulos conectados por una estrella de cuatro puntas. Cinemáticamente, la estructura no puede desplegarse si no se permite ninguna deformación en la estrella y los triángulos. Sin embargo, si las dimensiones de los ligamentos delgados se adaptan cuidadosamente, la celda unitaria se puede transformar mediante un proceso de encaje. Una cuarta parte de la celda unitaria es similar a la disposición de conexión del patrón triangular: durante la deformación, la estrella restringe la distancia entre un par de estos triángulos, por lo que los dos triángulos pequeños comprimirían severamente el ligamento medio para girar hacia afuera, lo que llevaría a un comportamiento instantáneo. Si estiramos una metahoja de 3 × 3 uniformemente a lo largo de sus cuatro esquinas, se ajusta a un patrón abierto isotrópico como se muestra en la Fig. 1e (Película M1). Si la fuerza se aplica a lo largo de una de las direcciones diagonales, la estructura forma una forma de diamante semiabierta donde solo se abren dos pares de triángulos, como se muestra en los Materiales complementarios S2. Mientras que el estado semiabierto del patrón estelar presenta una respuesta anisotrópica con diferente transmitancia dependiendo de la polarización de la onda entrante, los patrones cerrado y abierto son sustancialmente isotrópicos debido a la simetría rotacional de cuatro líneas y cuádruple de sus celdas unitarias. En esta investigación, nos centramos particularmente en las respuestas de estos últimos estados isotrópicos.
Cuando se tesela en el plano, la geometría de la celda unitaria se acopla con sus vecinas en dos direcciones, por lo tanto, el número de estados estables sigue siendo el mismo independientemente del número de celdas unitarias. La película M2 demuestra el proceso de reconfiguración de la metasuperficie estelar. La estructura sólo es geométricamente compatible en el estado cerrado y en el estado abierto. La Figura 1f muestra el prototipo cortado con láser de una metahoja de estrella de 3 × 3 unidades. Tenga en cuenta que puede tender a tener una deformación fuera del plano en el video cuando la estructura se cortó de una lámina de goma bastante delgada.
Se realizó un análisis de elementos finitos (FE) no lineal para explorar la biestabilidad de la estructura. La simulación se realizó utilizando el solucionador de dinámica implícita estándar ABAQUS con disipación moderada que mejora la convergencia cuando hay autocontacto. Utilizamos el método neo-Hooke para la característica hiperelástica de las láminas de caucho y se tuvieron en cuenta las no linealidades geométricas. Los modelos fueron discretizados con CPS8R y CPS6. Para los modelos de celda unitaria única, se aplicaron condiciones de contorno periódicas. Al modelo se le asignó una ley de contacto simplificada con contacto duro para un comportamiento normal. Se creó un modelo paramétrico utilizando la interfaz de scripting Python de ABAQUS para investigar más a fondo el papel de diferentes parámetros geométricos en la respuesta de los metamateriales mecánicos diseñados. Para el patrón triangular, tanto el largo como el ancho de la celda unitaria son lt = 16 mm, su espesor es 2,3 mm, el ancho del corte es 0,2 mm y α = π/4. Como se analizó anteriormente, la multiestabilidad de la estructura se debe principalmente a la elasticidad de las bisagras de flexión, que depende en gran medida de la dimensión de estas bisagras t. Para validar los factores que influyen en la biestabilidad, simulamos la respuesta de una celda unitaria bajo una variación de longitud uniaxial en la dirección horizontal (carga de desplazamiento) y simultáneamente rastreamos su fuerza de reacción F y su deformación de ingeniería e, definida como la variación de longitud sobre la longitud original de la celda unitaria. Se consideraron tres casos con t/lt = 0,031, 0,034 y 0,038, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 2a, la curva fuerza-deformación es fuertemente no lineal y la fuerza de reacción cae por debajo de cero y luego regresa a valores positivos cuando t/lt = 0,031 y 0,034. Este fenómeno indica que hay una serie de posiciones estables que la estructura podría adoptar sin ninguna fuerza de estiramiento. Cuando t/lt = 0,038, F siempre está por encima de cero, lo que indica que la posición estable intermedia no existe. Por tanto, el ajuste t puede programar las posiciones estables de la estructura. Además, cuanto mayor es t, mayor es la fuerza de estiramiento necesaria para desplegar la lámina. La distribución de la tensión de von Mises de una celda unitaria con t/lt = 0,034 en la Fig. 2b muestra que la tensión alta se localiza principalmente en las bisagras y el resto de la estructura tiene una deformación casi insignificante, lo que concuerda con el supuesto de que las piezas triangulares pueden tratarse cinemáticamente como cuerpos rígidos. Para el prototipo de caucho grabable, se eligió t como t = 0,55 mm (t/lt = 0,034).
Análisis de biestabilidad. (a,b) Simulaciones de elementos finitos del patrón triangular. (c,d) Las simulaciones de elementos finitos del patrón estelar.
Para optimizar aún más en detalle el comportamiento biestable de ambos patrones de corte, construimos un modelo de energía elástica simplificado de ambas estructuras, y este análisis paramétrico se proporciona en Materiales complementarios S2. El modelo energético indica que diferentes dimensiones de la bisagra tienen diferente influencia en la biestabilidad del metamaterial.
El modelo estrella se analiza utilizando el mismo método. Tanto el largo como el ancho de la celda unitaria son ls = 14 mm y β = 24°. Establecemos la dimensión de la bisagra como s, y dejamos que s/ls = 0,028, 0,039 y 0,050. Simulamos la respuesta de una celda unitaria en estrella bajo una carga de desplazamiento horizontal y vertical uniforme en las cuatro esquinas de la celda unitaria y rastreamos su fuerza de reacción F y su deformación de ingeniería e. Como se muestra en la Fig. 2c, la fuerza de reacción cae por debajo de cero y luego regresa a valores positivos para s/ls = 0,028 y 0,039. El despliegue de cada par de triángulos es similar al del patrón de triángulos. s tiene una gran influencia en la multiestabilidad de la estructura; cuanto más pequeña es s, es más probable que tenga un comportamiento biestable. Sin embargo, no podemos hacerlos demasiado pequeños porque la conexión entre las piezas se volvería demasiado frágil después de varias rondas de despliegue. La s mínima requerida para tener una posición estable intermedia es de 0,5 mm (s/ls = 0,036) y, por lo tanto, para el prototipo de caucho grabable con láser elegimos s = 0,55 mm (s/ls = 0,039). La Figura 2d muestra la distribución de la tensión de von Mises en la celda unitaria de la estrella, y la tensión nuevamente se localiza principalmente en las bisagras.
La influencia de las dimensiones de la bisagra en estrella y el ángulo del brazo β también se investigan para la estabilidad estructural en los Materiales suplementarios S2. Geométricamente, un β más pequeño permite que la estructura se despliegue en mayor medida, lo que aumenta la discrepancia geométrica que requiere una gran fuerza de ruptura.
En Materiales complementarios S2, también se demuestran las pruebas de tracción de modelos cortados con láser y concuerdan con los resultados numéricos.
Se presenta un dipolo de media onda reconfigurable y sintonizable como una aplicación potencial de las estructuras de kirigami multiestables, en particular del kirigami triangular que se muestra en la figura 1a. Esta aplicación está obviamente inspirada en las clásicas antenas dipolo sintonizables de media onda con elementos telescópicos33. Recientemente se ha propuesto una versión electrónica avanzada del concepto de dipolo telescópico en forma de una estructura de matriz de diodos pin cuyos elementos se "activan" para lograr una alta conductividad aplicando voltaje directo entre las regiones tipo p y tipo n34. La frecuencia operativa de la antena se reconfigura cambiando el número de celdas de diodo pin que están polarizadas directamente, lo que requiere conectar líneas de polarización a cada uno de los elementos de la antena con inductores de estrangulación y capacitancias de desacoplamiento. Entre los inconvenientes de esta estructura se encuentran la generación de calor en el diodo debido a la alta polarización directa y la interferencia de la radiación con elementos metálicos, como las líneas de polarización CC. En otro trabajo reciente sobre la realización de una antena dipolo de media longitud de onda sintonizable en frecuencia, se propuso el uso de una matriz de píxeles de metal líquido accionados eléctricamente35.
En este trabajo la sintonizabilidad de la respuesta dipolar se logra variando la extensión de las tiras de goma kirigami que cubiertas por una fina capa metalizada forman los brazos dipolo. El dipolo formado por dos tiras de kirigami completamente cerradas se muestra en la Fig. 3a junto con la configuración de muestra que presenta seis celdas unitarias abiertas en cada una de las dos filas del patrón de kirigami. En las otras configuraciones de dipolos de muestra que se han analizado, el dipolo presenta extensiones intermedias correspondientes a dos y cuatro celdas unitarias abiertas en los patrones de kirigami. Las tiras de kirigami que forman los brazos dipolares contienen en total nueve células unitarias y, por lo tanto, en principio podrían extenderse a longitudes mayores. Es de destacar que se podría aplicar un enfoque similar para realizar una antena de parche de microcinta reconfigurable en frecuencia utilizando el patrón de estrella kirigami.
(a) Bocetos del modelo dipolo realizado. (b) Prototipo de muestra en la configuración de medición. (c) Coeficiente de reflexión simulado y medido del dipolo sintonizable en las configuraciones de muestra de extensión variable que se muestran en la subfigura (a). (d) Comparación del rango de sintonizabilidad simulado y medido.
Los dipolos de prueba de concepto se han realizado simplemente pegando una lámina de aluminio sobre la lámina de goma y luego cortando la lámina siguiendo el patrón de kirigami impreso en la lámina de goma con el láser. Un ejemplo se muestra en la Fig. 3b, donde también se puede ver que los dipolos son alimentados directamente por un cable coaxial rígido con una impedancia de 50 Ohm.
La respuesta de los dipolos de muestra se ha caracterizado observando su coeficiente de reflexión Γ medido con un analizador vectorial de redes (VNA). Para comparar con las medidas, el coeficiente de reflexión de los dipolos también se ha simulado con CST Microwave Studio (MWS), donde se han asumido configuraciones geométricas ideales, sin ninguna deformación en el patrón de kirigami que pueden presentar las estructuras reales al estirarse y una sección corta. En el modelo se ha incluido un cable coaxial de 50 Ohm para alimentar los dipolos. Los coeficientes de reflexión simulados y medidos para los dipolos en las cuatro configuraciones de muestra se muestran en la Fig. 3c. El rango de frecuencia observado muestra la resonancia fundamental (frecuencia más baja) de los dipolos. Las frecuencias de resonancia deducidas de las mediciones concuerdan muy bien con los datos de simulación correspondientes. Algunas oscilaciones en los coeficientes de reflexión medidos, que no están presentes en las curvas simuladas, pueden deberse a ruido o alguna inexactitud residual en la calibración del VNA. Se puede ver que las frecuencias de resonancia se desplazan hacia abajo mientras las tiras de kirigami que forman los brazos dipolares se extienden aumentando el número de celdas unitarias abiertas. Como resultado, la resonancia fundamental del dipolo se puede sintonizar desde aproximadamente 0,52 a 0,38 GHz, correspondiente a un ancho de banda sintonizable de aproximadamente el 30%, con respecto a la frecuencia central del rango sintonizable. Mientras tanto, el ancho de banda fraccional del dipolo sólo se reduce marginalmente. Según las simulaciones, el patrón de radiación en resonancia (no informado porque es el patrón estándar para antenas dipolo) sigue siendo prácticamente el mismo para todos los dipolos considerados. Las simulaciones de configuraciones dipolares alternativas han demostrado que las posiciones de las celdas unitarias abiertas a lo largo de las tiras de kirigami que forman los brazos dipolares prácticamente no tienen efecto sobre la respuesta dipolar, que sólo se ve afectada por el número de celdas abiertas y, por tanto, la extensión general del dipolo. brazos.
Los principales parámetros geométricos y eléctricos que caracterizan la antena dipolo en la resonancia fundamental para un número variable de celdas unitarias abiertas se resumen en la Tabla 1. La tendencia de la frecuencia de resonancia dipolo frente al número de celdas unitarias abiertas en cada fila de las tiras de kirigami, lo que resulta en las diferentes extensiones físicas de dipolo que se muestran en la Tabla 1, se ilustra en la Fig. 3d, donde también se incluyen los resultados de la simulación para algunas configuraciones de dipolo adicionales. Teniendo en cuenta estos datos adicionales, el ancho de banda sintonizable del dipolo alcanza aproximadamente el 35% con respecto a la frecuencia central del rango sintonizable.
Los patrones periódicos de kirigami multiestables introducidos en este trabajo también son adecuados para la realización de superficies selectivas de frecuencia (FSS) reconfigurables mecánicamente. Los FSS se pueden realizar creando una capa eléctricamente conductora/metálica en un lado de la lámina de caucho sobre la que se corta el patrón de kirigami; Otra opción sería formar la estructura del kirigami con un material de alta permitividad. En este trabajo nos centramos en el primer enfoque. Una vez cubiertas con una metalización adecuada, las metasuperficies de kirigami se comportarían como FSS que exhiben espectros de transmitancia y reflectancia específicos en cada uno de sus estados estables. Por lo tanto, la respuesta EM de los FSS puede reconfigurarse mediante la transformación mecánica de los patrones de kirigami, siempre que la capa metalizada pueda resistir el proceso de deformación (estiramiento y compresión) y se preserve la conectividad del conductor, particularmente a través de los delgados ligamentos entre los triángulos que forman el Metasuperficies de kirigami. Probamos que ambas metasuperficies se pueden implementar en un período corto de forma repetitiva (Materiales complementarios S2).
Debido al ancho finito de los cortes que crean los patrones de kirigami, cuando los FSS están cerrados, generalmente no se comportan como una pantalla conductora uniforme que impida que cualquier radiación se transmita al medio espacio más allá de él, sino que cada uno de ellos preferiría exhibir una respuesta resonante peculiar asociada con la longitud, el ancho y la orientación específicos de los cortes. Sin embargo, se puede idear una modificación simple de los patrones de kirigami originales para lograr una respuesta FSS de encendido/apagado biestado, como se mostrará a continuación.
Para ilustrar el concepto de los FSS de kirigami reconfigurables propuestos, comenzamos considerando la metasuperficie con la celda unitaria formada por pequeños triángulos, que solo se pueden estirar horizontalmente (lt = 12 mm). Como se mencionó anteriormente, este patrón periódico de kirigami se puede convertir fácilmente en un FSS anisotrópico reconfigurable aplicando una capa conductora sobre la lámina de caucho utilizada para realizar el patrón mecánicamente transformable. Si bien esta estructura puede asumir una variedad de configuraciones dependiendo del número de columnas que se despliegan, como se ve en la antena dipolo sintonizable, para la aplicación FSS nos centraremos en sus estados completamente cerrado y completamente abierto.
La respuesta EM de los FSS formados por las metasuperficies metalizadas de kirigami de triángulo cerrado y abierto se ha simulado con CST MWS utilizando una sola celda unitaria del patrón de kirigami con condiciones de contorno doblemente periódicas. Como nuestro objetivo era utilizar tecnología de circuito impreso estándar de bajo costo para validar las simulaciones, se supone que la capa conductora está formada por una lámina de cobre puro de 0,035 mm de espesor \((\sigma_{Cu} = 5,96 \times 10^{7 } {\text{ S/m}})\) colocado encima de un laminado RF con \(\varepsilon_{r} = 4.3\) y \(\tan \delta = 0.025\) (epoxi reforzado con vidrio, FR4 ).
Como prueba de concepto, desarrollamos versiones de PCB rígidas de los estados cerrado y completamente abierto del FSS transformable, que se muestran en la Fig. 4a. Los FSS fabricados se caracterizaron midiendo sus propiedades de transmisión. En la Fig. 4b se muestra una imagen real de la configuración de medición. Las muestras, todas con dimensiones de 20 cm × 20 cm, se colocaron en un marco metálico colocado entre dos cuernos de banda ancha, conectados a un analizador de redes vectoriales (VNA). La difracción por la ventana del marco se calibró primero caracterizando el dispositivo sin muestras. Los reflejos parásitos fueron indetectables en estas pruebas. La transmitancia medida, para polarizaciones horizontal y vertical, se superpone con los resultados de simulación correspondientes en la Fig. 4c, d, respectivamente. Se puede observar que la concordancia entre mediciones y simulaciones es buena, especialmente en torno a la resonancia fundamental del FSS. Es interesante observar que cuando este tipo de kirigami FSS está en estado cerrado es sustancialmente opaco a un campo incidente polarizado verticalmente en las frecuencias en las que la configuración abierta exhibe su resonancia de banda de paso fundamental para la misma polarización, mientras que ocurre lo contrario para La polarización vertical. En particular, en el gráfico de la Fig. 4c se puede ver que el SFS en su estado cerrado exhibe la resonancia fundamental para una polarización incidente horizontal, con transmisión completa, a aproximadamente 6 GHz, mientras que para la polarización vertical se comporta sustancialmente como una reflector perfecto a la misma frecuencia. Por otro lado, cuando el SFS se despliega en su estado completamente abierto, ambas polarizaciones se reflejan, porque la primera resonancia para esta configuración, para una onda incidente polarizada verticalmente, ocurre a frecuencias más altas y la transmisión es insignificante en la región de baja frecuencia. En otras palabras, la respuesta de este SFS triangular a baja frecuencia se puede cambiar mecánicamente desde una reflexión total a la de un polarizador transmisor.
(a) Muestras de FSS. (b) Configuración del experimento. Transmitancias medidas y simuladas del triángulo kirigami FSS en sus configuraciones cerrada y completamente abierta a una onda incidente polarizada (c) horizontalmente y (d) verticalmente. (e) Transmitancia medida y simulada de la estrella kirigami FSS en sus configuraciones cerrada y completamente abierta. (f) Simulación del FSS conmutable on-off obtenido modificando el patrón de estrella con la introducción de pequeñas muescas metálicas o diminutos resortes, como se muestra en el recuadro de la celda unitaria, que actúan como cortocircuitos de las ranuras correspondientes a los cortes que definen el patrón kirigami en la configuración cerrada, mientras que su presencia prácticamente no tiene efecto cuando el FSS se abre.
El concepto de los FSS de kirigami reconfigurables propuestos se ilustra con más detalle con el ejemplo de los FSS creados agregando una capa conductora en la parte superior de la metasuperficie del kirigami con la celda unitaria formada por una estrella de cuatro puntas conectada a ocho pequeños triángulos. Como se muestra en la sección "Patrón de estrella", cuando este patrón se tesela en el plano, nos centramos específicamente en las respuestas de los estados isotrópicos de apertura y cierre. En cuanto al triángulo kirigami FSS, para validar la reconfigurabilidad del estrella FSS, produjimos versiones estáticas de PCB de estas dos configuraciones estables de kirigami en estrella. Los prototipos de circuito impreso FSS que se muestran en la Fig. 4a se fabricaron utilizando laminados FR4 estándar de 1 a 6 mm de espesor con un revestimiento de cobre de 0,035 mm de espesor.
La simulación de estos FSS se realizó nuevamente recurriendo a condiciones de contorno doblemente periódicas en CST MWS para reducir el dominio de análisis a una sola celda unitaria del patrón kirigami.
Dado que los patrones estelares cerrados y completamente abiertos son isotrópicos, sólo es necesario examinar la transmitancia en una polarización incidente. De manera similar, las muestras de PCB se han caracterizado midiendo su coeficiente de transmisión a una única polarización incidente. Las mediciones se realizaron en una cámara anecoica con la misma configuración de la Fig. 4b utilizada para el triángulo kirigami FSS.
Los coeficientes de transmisión medidos se muestran en la Fig. 4e superpuestos con los resultados de la simulación correspondientes. Como es evidente, existe una buena concordancia entre las mediciones y las simulaciones, tanto en torno a la resonancia fundamental como en frecuencias más altas. Cuando las celdas unitarias de kirigami están cerradas, el FSS exhibe su resonancia de banda de paso fundamental en aproximadamente 6,7 GHz, mientras que para el patrón abierto la resonancia ocurre en 7,8 GHz. En otras palabras, en principio, se puede obtener un cambio del 15% en la frecuencia de la respuesta de la banda de paso fundamental del SFS transformando mecánicamente la estructura del kirigami, aunque el cambio de estado no da como resultado una atenuación sustancial de la transmisión en las frecuencias de cada banda de paso del SFS. .
En general, estas mediciones de muestras de FSS de tamaño finito reales confirman las predicciones basadas en la simulación de las correspondientes estructuras periódicas infinitas ideales y demuestran que los patrones de kirigami transformables tienen el potencial de permitir una clase completamente nueva de FSS reconfigurables que no dependen de ningún componente electrónico para su funcionamiento. operación. Sin embargo, una implementación real de este concepto requeriría que la metalización se aplique directamente sobre las láminas de caucho láser a partir de las cuales se fabrican los kirigami mediante el uso de un cortador láser y que la deformabilidad de la estructura se preserve en el proceso.
Como se muestra en la Fig. 4e, cuando la estrella kirigami FSS está cerrada, no se comporta como una pantalla conductora uniforme que impide que la radiación se transmita al medio espacio más allá de ella, pero muestra una respuesta resonante asociada con la configuración de las ranuras en la capa de metal correspondiente a los cortes que crean el patrón kirigami.
Se puede realizar una modificación simple del patrón de inicio de kirigami original para lograr una respuesta FSS de encendido/apagado biestado. La idea es introducir una distribución regular de pequeñas muescas metálicas a lo largo de los bordes del patrón kirigami, como se muestra en la celda unitaria de estrella modificada que se muestra en el recuadro de la Fig. 4f. En estado cerrado, estas muescas cortocircuitan las ranuras de la pantalla metálica correspondientes a los cortes del patrón kirigami, mientras que el patrón abierto se ve modificado insignificantemente por su presencia. Los coeficientes de transmisión y reflexión simulados de la estrella modificada FSS en la configuración cerrada se muestran en la Fig. 4f. Como es evidente, el efecto de los cortocircuitos es desplazar hacia arriba en frecuencia la resonancia fundamental asociada con el patrón de ranura periódica en el estado cerrado, ya que las longitudes reales de las distintas ranuras son menos de la mitad de las correspondientes en el original. patrón. De esta manera, se reduce considerablemente el nivel de transmitancia en el rango de frecuencia de interés. De hecho, este enfoque podría usarse para realizar un SFS de dos estados conmutable mecánicamente, siendo el SFS prácticamente opaco al campo incidente en el estado cerrado en las frecuencias donde el patrón abierto exhibe su resonancia de banda de paso.
Se ha desarrollado una nueva clase de metamateriales electromecánicos inspirados en patrones de kirigami transformables para múltiples aplicaciones electromagnéticas. Las topologías de la estructura se pueden ajustar dinámicamente y bloquear en varias configuraciones diferentes debido a su multiestabilidad. Para cada configuración estable, la celda unitaria de los metamateriales exhibe diferentes propiedades resonantes, que demostramos que pueden explotarse para aplicaciones como dipolos sintonizables y FSS. Ambos tipos de estructuras requieren que se aplique una capa conductora eléctricamente continua en un lado de la lámina de caucho sobre la que se corta el patrón de kirigami, y que la continuidad eléctrica entre las células se preserve mientras la estructura sufre deformación mecánica para reconfigurar su respuesta EM. . Esto es un gran desafío para los delgados ligamentos que actúan como bisagras de flexión entre los elementos que forman los patrones de kirigami, que se doblan y comprimen durante la transformación.
Para nuestra prueba de conceptos, desarrollamos versiones estáticas de PCB de los FSS transformables en sus diferentes configuraciones, mientras que utilizamos papel de aluminio flexible adherido a la lámina de goma para las muestras de dipolo sintonizable, que sin embargo tiende a agrietarse después de algunas deformaciones. En la práctica, para el funcionamiento de las estructuras EM propuestas inspiradas en el kirigami, se requeriría una superficie conductora estirable capaz de soportar elongaciones y compresiones mecánicas repetidas36. En los últimos años, ha habido avances significativos en el desarrollo de conductores elásticos, que son componentes esenciales para redes de sensores y actuadores extensibles de gran superficie para atención médica, dispositivos portátiles y robótica. Uno de los enfoques comunes para realizar conductores flexibles es mezclar elastómeros con nanopartículas metálicas. Se han estudiado muchos nanomateriales novedosos para lograr flexibilidad y buen rendimiento eléctrico. Se ha descubierto que los nanomateriales a base de plata, incluidas las nanopartículas, nanocables y nanohojuelas de plata, son candidatos prometedores para su uso en conductores estirables37,38,39. De manera similar, también se han informado conductores altamente estirables hechos de nanoestructuras de oro40,41. Un resumen más detallado de los importantes avances en el desarrollo de conductores estirables se puede encontrar en 42.
Otro enfoque para realizar dispositivos electrónicos extensibles es utilizar islas rígidas de dispositivos activos e interconexiones extensibles, como en43,44. De manera similar, en nuestras estructuras de kirigami podríamos introducir un patrón periódico de parches metálicos rígidos desconectados en la parte superior del sustrato de caucho, dejando pequeñas porciones de la superficie de caucho alrededor de las bisagras flexibles desnudas, es decir, sin ninguna cubierta metálica, y luego conectar el metal aislado. parches simplemente soldando cables entre ellos o aplicando otros tipos de interconexiones flexibles. Los aspectos tecnológicos de la realización de los dispositivos kirigami reconfigurables EM propuestos están más allá del alcance de este trabajo y se abordarán en una publicación futura.
El objetivo de este artículo ha sido mostrar, mediante análisis paramétrico y construcción de modelos energéticos, que podemos programar las configuraciones estables de los patrones de kirigami desarrollados. Se ha investigado y probado la relación entre los parámetros del patrón y el rendimiento electromagnético. Al utilizar herramientas de diseño cinemáticas, podemos crear varias estructuras de transformación con un amplio rango de deformación, y queda un gran espacio de diseño por explorar. En consecuencia, la variación de forma de los metamateriales electromecánicos proporciona un amplio rango de sintonización de las propiedades eléctricas y las respuestas EM de antenas, filtros y otros componentes sintonizables, como lo requieren las próximas generaciones de sistemas de comunicación inalámbrica, teledetección y electrónica portátil para uso biomédico. aplicaciones.
Todos los datos están disponibles en el texto principal o en los materiales complementarios.
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Los autores desean agradecer a Paul Pattinson por su ayuda en la fabricación de los prototipos de PCB.
Este trabajo fue financiado en parte por el Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas del Reino Unido bajo la subvención EP/N010493/1 (“Síntesis de metamateriales 3-D para aplicaciones de RF, microondas y THz”). ZY desea agradecer el apoyo de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (FA9550-16-1-0339). YY agradece a la Universidad de Oxford por la Beca Clarendon.
Estos autores contribuyeron igualmente: Yunfang Yang y Andrea Vallecchi.
Departamento de Ciencias de la Ingeniería, Universidad de Oxford, Parks Road, Oxford, OX1 3PJ, Reino Unido
Yunfang Yang, Andrea Vallecchi, Ekaterina Shamonina, Christopher J. Stevens y Zhong You
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YY llevó a cabo el diseño de los patrones de kirigami, fabricó los prototipos, realizó análisis y experimentos sobre su rendimiento mecánico y redactó y revisó el manuscrito. AV propuso y desarrolló las aplicaciones de dipolos sintonizables y superficies selectivas de frecuencia, realizó análisis y experimentos electromagnéticos, fabricó los prototipos y redactó y revisó el manuscrito. ES supervisó la investigación y revisó el manuscrito. CJS, ZY inició y supervisó la investigación y revisó el manuscrito.
Correspondencia a Ekaterina Shamonina, Christopher J. Stevens o Zhong You.
Los autores declaran no tener conflictos de intereses.
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Reimpresiones y permisos
Yang, Y., Vallecchi, A., Shamonina, E. et al. Una nueva clase de metamateriales de kirigami transformables para sistemas electromagnéticos reconfigurables. Informe científico 13, 1219 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-27291-8
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Recibido: 09 de agosto de 2022
Aceptado: 29 de diciembre de 2022
Publicado: 21 de enero de 2023
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-27291-8
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