Una nueva clase de metamateriales 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 los componentes de radiofrecuencia (RF) requiere materiales multifuncionales inteligentes que puedan adaptar sus formas y propiedades físicas de acuerdo con 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 kirigami que pueden deformarse repetidamente y bloquearse 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 basadas en la cinemática con un revestimiento metalizado que puede 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 los parámetros críticos en la multiestabilidad estructural se ilustra mediante un modelo de energía simplificado y simulaciones de elementos finitos. Como ejemplos de los 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) que presentan respuestas isotrópicas y anisotrópicas. Si bien el dipolo de kirigami se puede ajustar 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 se valida mediante simulaciones y experimentos EM de onda completa. Las estructuras transformables propuestas se pueden accionar mecánicamente para ajustar la respuesta EM en frecuencia o inducir anisotropías para la propagación de ondas.

La expansión de la comunicación inalámbrica y la creciente diversidad de servicios inalámbricos avanzados han dado como resultado una creciente demanda de sistemas electromagnéticos (EM) reconfigurables capaces de soportar la movilidad de los usuarios sin interrupciones 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 reconfigurables (FSS). En la mayoría de los diseños de antenas sintonizables y FSS, la reconfigurabilidad se logra cambiando los patrones actuales en la antena o la celda unitaria de los FSS utilizando interruptores, como diodos pin e interruptores microelectromecánicos (MEMS), o cargando las estructuras con diodos varactores, que proporcionan una capacitancia variable controlada por voltaje1,2,3,4. 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, lo que contribuye a la reducción del rendimiento general, especialmente a altas frecuencias. .

Recientemente, se han propuesto nuevos enfoques para ajustar la respuesta de los componentes electromagnéticos basados en la transformación mecánica. En el FSS compuesto por resonadores cerámicos con diferentes respuestas de parada de banda bajo incidencias frontales y laterales desarrolladas en 5, 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 la forma 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 las ondas milimétricas, al mismo tiempo que requieren un costo de fabricación comparativamente bajo; 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, que admiten aplicaciones multimodo y multibanda10,11,12 y, por lo tanto, requiriendo antenas reconfigurables multifunción para reemplazar múltiples antenas heredadas de una sola función13,14,15,16. Sensores reconfigurables para la extracción remota no destructiva y el control de diversas cantidades, como la tensión, el material dieléctrico y las propiedades de los líquidos17,18, y la electrónica portátil19, donde las capacidades de remodelación pueden aumentar la adaptabilidad y el cumplimiento de la plataforma electrónica al cuerpo humano y, por lo tanto, pueden ser fundamentales para tecnologías biomédicas20,21.

En general, la reconfiguración mecánica puede tener algunas ventajas con respecto a los componentes electrónicos, por ejemplo, no requeriría altos voltajes de polarización 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 avería 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.), generalmente requiere altos voltajes de polarización o alto consumo de energía de CC y muestran una sensibilidad no deseada a las variaciones térmicas. Como posible inconveniente, los dispositivos de RF mecánicamente reconfigurables tienden a tener una respuesta de sintonización relativamente más lenta, que sin embargo se puede mejorar mediante el uso de materiales y métodos de fabricación adecuados e implementaciones específicas del actuador mecánico externo requerido para lograr un despliegue más rápido. Se pueden encontrar revisiones exhaustivas de las aplicaciones de diferentes técnicas de sintonización, incluida la actuación mecánica, materiales sintonizables y dispositivos electrónicos integrados, con ventajas y desventajas, en 22,23, 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. Mediante el diseño de celdas unitarias basadas en la cinemática que pueden girar entre sí y el equipamiento de cada unidad con elementos metalizados para proporcionar propiedades electromagnéticas resonantes ajustables, podemos accionar mecánicamente la estructura transformable para ajustar la respuesta EM en frecuencia o inducir anisotropías para la onda. propagación.

Las estructuras basadas en origami se sugirieron previamente como una solución para crear FSS ajustables de estado continuo desplegables, 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 de construcción 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 brindan la respuesta de frecuencia variable deseada. Lograr una conmutación robusta y estable entre varias configuraciones es un gran desafío y, por lo general, 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 en los que la energía potencial alcanza los mínimos locales, por lo que la estructura tiende automáticamente a permanecer en estas configuraciones, lo que les otorga 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 los parámetros de geometría y longitud de corte de los patrones, demostramos la programación de las topologías y formas de diferentes configuraciones. Ambos resultados basados en un modelo de energía simplificado y simulaciones de elementos finitos se presentan para ilustrar la influencia de los parámetros críticos en la biestabilidad estructural. Mostramos que estas estructuras se pueden explotar para realizar una variedad de dispositivos electromagnéticos reconfigurables. En particular, nos enfocamos 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 conductora de electricidad/metálica en un lado de la lámina de goma sobre la que se corta el patrón kirigami; otra opción sería formar la estructura kirigami con un material de alta permitividad, pero en este trabajo nos enfocamos en el primer enfoque. Una vez recubierta 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 redactan las observaciones finales, mientras que los detalles del análisis de energía estructural se delegan en la sección de Materiales complementarios.

Nos enfocamos 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 selectivas de frecuencia planas; (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 enfocamos 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 de triángulos comprende ocho triángulos conectados entre sí en sus vértices a través de 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 huecos 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. Al teselar la celda unitaria en dirección horizontal y vertical se 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 en 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 lleva a una característica multiestable (Película M1). De esta forma, podemos generar metasuperficies con distintas topologías desplegando determinadas columnas de una misma estructura (Movie M2). La figura 1c muestra un metamaterial del mismo patrón hecho por grabado láser de una lámina de caucho en sus estados abierto y cerrado correspondientes a los de la figura 1b.

Diseño de estructuras de metamateriales. Parámetros de diseño de la unidad con (a) patrón triangular y (d) patrón de estrella. Los estados cerrado y abierto del metamaterial triangular (b) teselado y (e) el metamaterial estelar. Fotografía de la muestra grabada con láser con patrones (c) triangulares y (d) de estrella, 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 grosor de las bisagras de flexión es cero, es decir, los triángulos tienen una conexión ideal de vértice a vértice, la transformación de la estructura se puede considerar como un movimiento mecánico donde todas las piezas triangulares son cuerpos rígidos (Materiales complementarios S2) . Sin embargo, en el proceso real de deformación del material, la estructura no presenta bisagras perfectas en los vértices. En cambio, las articulaciones de flexión se doblan y se desdoblan 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 desplegado. En otras palabras, la metahoja 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 la 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 a través de un proceso de ajuste rápido. Un cuarto 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 rotar 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 semiabierto donde solo se abren dos pares de triángulos, como se muestra en los Materiales complementarios S2. Mientras que el estado semiabierto del patrón de estrella 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 cuádruple y de cuatro líneas de sus celdas unitarias. En esta investigación, nos enfocamos particularmente en las respuestas de los 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 permanece igual independientemente del número de celdas unitarias. La película M2 demuestra el proceso de reconfiguración de la metasuperficie estelar. La estructura solo es compatible geométricamente 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 ABAQUS Standard Implicit Dynamics con disipación moderada que mejora la convergencia cuando hay autocontacto. Usamos el método neo-Hooke para la característica hiperelástica de láminas de caucho, y se tomaron en cuenta las no linealidades geométricas. Los modelos se discretizaron con CPS8R y CPS6. Para los modelos de celdas unitarias, se aplicaron condiciones de contorno periódicas. Se asignó una ley de contacto simplificada al modelo con contacto fuerte para comportamiento normal. Se creó un modelo paramétrico utilizando la interfaz de secuencias de comandos 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 de 2,3 mm, el ancho del corte es de 0,2 mm y α = π/4. Como se discutió anteriormente, la estabilidad múltiple de la estructura se debe principalmente a la elasticidad de las rótulas de flexión, que depende en gran medida de la dimensión t de estas rótulas. 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 rastreamos simultáneamente su fuerza de reacción F y la tensión 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 vuelve 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 tomar sin ninguna fuerza de estiramiento. Cuando t/lt = 0,038, F siempre está por encima de cero, lo que indica que la posición intermedia estable no existe. Por lo tanto, tuning t puede programar las posiciones estables de la estructura. Además, cuanto mayor sea t, mayor será la fuerza de estiramiento necesaria para desplegar la hoja. 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 está de acuerdo con la suposición de que las piezas triangulares se pueden tratar 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 de estrella.

Para optimizar aún más el comportamiento biestable de ambos patrones de corte en detalle, construimos un modelo de energía elástica simplificado de ambas estructuras, y este análisis paramétrico se proporciona en Materiales complementarios S2. El modelo de energía indica que las diferentes dimensiones de la bisagra tienen una influencia diferente en la biestabilidad del metamaterial.

El modelo estrella se analiza utilizando el mismo método. Tanto la longitud como el ancho de la celda unitaria son ls = 14 mm y β = 24°. Establecemos la dimensión de la bisagra como s, y dejamos 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 la tensión 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 menor sea s, es más probable que tenga un comportamiento biestable. Sin embargo, no podemos hacer que s sea demasiado pequeño, ya que 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), por lo que para el prototipo de caucho grabable con láser elegimos s = 0,55 mm (s/ls = 0,039). La Figura 2d muestra la distribución del estrés de von Mises en la celda unitaria en estrella, y el estrés 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 complementarios 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 los Materiales complementarios S2, también se demuestran las pruebas de tracción de los modelos cortados con láser, y están de acuerdo con los resultados numéricos.

Se presenta un dipolo de media onda reconfigurable y sintonizable como una aplicación potencial de las estructuras kirigami multiestables, en particular del kirigami triangular que se muestra en la Fig. 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 pin diodos cuyos elementos se "activan" para lograr una alta conductividad mediante la aplicación de tensión directa entre las regiones de tipo p y tipo n34. La frecuencia operativa de la antena se reconfigura cambiando el número de celdas de diodo pin que tienen polarización directa, lo que requiere conectar líneas de polarización a cada uno de los elementos de la antena con inductores de choque y capacitancias de desacoplamiento. La generación de calor en el diodo debido a la alta polarización directa y la interferencia de radiación con elementos metálicos, como las líneas de polarización de CC, se encuentran entre los inconvenientes de esta estructura. En otro trabajo reciente sobre la realización de una antena dipolo de media longitud de onda sintonizable en frecuencia, se ha propuesto el uso de una matriz de píxeles de metal líquido accionados eléctricamente35.

En este trabajo, la sintonizabilidad de la respuesta del dipolo se logra variando la extensión de las tiras de caucho kirigami que, cubiertas por una fina capa metalizada, forman los brazos del 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 estiradas abiertas en cada una de las dos filas del patrón de kirigami. En las otras configuraciones de dipolo de muestra que se han analizado, el dipolo presenta extensiones intermedias que corresponden a dos y cuatro celdas unitarias estiradas abiertas en los patrones de kirigami. Las tiras de kirigami que forman los brazos dipolares contienen un total de nueve celdas unitarias y, por lo tanto, en principio podrían extenderse a longitudes mayores. Cabe señalar que se podría aplicar un enfoque similar para realizar una antena de parche microstrip de frecuencia reconfigurable 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 realizaron simplemente pegando una lámina de aluminio sobre la lámina de caucho y luego cortando la lámina siguiendo el patrón kirigami impreso en la lámina de caucho 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 la muestra se ha caracterizado observando su coeficiente de reflexión Γ medido con un analizador vectorial de redes (VNA). Para comparar con las mediciones, 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 kirigami que las estructuras reales pueden exhibir cuando se estiran, 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 al ruido oa alguna imprecisión residual en la calibración del VNA. Se puede ver que las frecuencias de resonancia se desplazan hacia abajo mientras que las tiras de kirigami que forman los brazos del dipolo se extienden al aumentar el número de celdas unitarias abiertas. Como resultado, la resonancia fundamental del dipolo se puede sintonizar desde alrededor de 0,52 a 0,38 GHz, lo que corresponde 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 solo se reduce marginalmente. Basado en simulaciones, el patrón de radiación en la resonancia (no informado ya que es el patrón estándar para antenas dipolo) sigue siendo prácticamente el mismo para todos los dipolos considerados. Las simulaciones de configuraciones de dipolo alternativas han demostrado que las posiciones de las celdas unitarias abiertas a lo largo de las tiras de kirigami que forman los brazos del dipolo prácticamente no tienen efecto en la respuesta del dipolo, que solo se ve afectada por el número de celdas abiertas y, por lo 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 del dipolo frente al número de celdas unitarias abiertas en cada fila de las tiras de kirigami, resultando en las diferentes extensiones físicas del 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 adicionales del dipolo. Teniendo en cuenta estos datos adicionales, el ancho de banda sintonizable del dipolo alcanza aproximadamente un 35% con respecto a la frecuencia central del rango sintonizable.

Los patrones de kirigami multiestables periódicos presentados en este trabajo también son adecuados para la realización de superficies selectivas de frecuencia reconfigurables mecánicamente (FSS). Los FSS se pueden realizar creando una capa conductora de electricidad/metálica en un lado de la lámina de goma sobre la que se corta el patrón kirigami; otra opción sería formar la estructura 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 exhibirían espectros de transmitancia y reflectancia específicos en cada uno de sus estados estables. Por lo tanto, la respuesta EM de los FSS puede reconfigurarse a través de la transformación mecánica de los patrones kirigami, siempre que la capa metalizada pueda soportar el proceso de deformación (estiramiento y compresión) y se conserve 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 evita que la radiación se transmita al medio espacio más allá, pero 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 conmutable biestado, como se mostrará a continuación.

Para ilustrar el concepto de los FSS kirigami reconfigurables propuestos, comenzamos considerando la metasuperficie con la celda unitaria formada por pequeños triángulos, que se pueden estirar solo 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 goma utilizada para realizar el patrón transformable mecánicamente. Si bien esta estructura puede asumir una variedad de configuraciones según la cantidad de columnas que se implementen, 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 kirigami triangulares cerradas y abiertas metalizadas se ha simulado con CST MWS utilizando una sola celda unitaria del patrón kirigami con condiciones de contorno doblemente periódicas. Dado que 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 \((\sigma_{Cu} = 5,96 \times 10^{7 } {\text{ S/m}})\) 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. Los especímenes, todos 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 red vectorial (VNA). Primero se calibró la difracción por la ventana del marco caracterizando el accesorio sin muestras. Los reflejos parásitos fueron indetectables en estas pruebas. La transmitancia medida, tanto para polarizaciones horizontales como verticales, se superponen con los resultados de simulación correspondientes en la Fig. 4c, d, respectivamente. Se puede ver que la concordancia entre las medidas y las simulaciones es buena, especialmente en torno a la resonancia fundamental FSS. Es interesante notar 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, del gráfico de la Fig. 4c se puede ver que el FSS 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 un reflector perfecto a la misma frecuencia. Por otro lado, cuando el FSS 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 en frecuencias más altas y la transmisión es insignificante en la región de baja frecuencia. En otras palabras, la respuesta de este FSS triangular a baja frecuencia puede cambiarse mecánicamente de una reflexión total a la de un polarizador transmisor.

(a) Especímenes FSS. (b) Configuración del experimento. Transmitancias medidas y simuladas del triángulo kirigami FSS en sus configuraciones cerrada y completamente abierta a una (c) onda incidente polarizada 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 de encendido y apagado 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 está abierto.

El concepto de los FSS de kirigami reconfigurables propuestos se ilustra aún más con el ejemplo de los FSS creados agregando una capa conductora en la parte superior de la metasuperficie de kirigami con la celda unitaria formada por una estrella de cuatro puntas conectada a ocho triángulos pequeños. Como se muestra en la sección "Patrón de estrella", cuando este patrón se tesela en el plano, nos enfocamos específicamente en las respuestas de los estados abiertos y cerrados isotrópicos. En cuanto al triángulo kirigami FSS, para validar la reconfigurabilidad del estrella FSS, producimos versiones de PCB estáticas de estas dos configuraciones estables de estrella kirigami. Los prototipos de FSS de circuito impreso que se muestran en la Fig. 4a se fabricaron utilizando laminados FR4 estándar de 1 a 6 mm de espesor con 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 de estrellas cerrados y completamente abiertos son isotrópicos, solo se necesita examinar la transmitancia en una polarización incidente. De manera similar, las muestras de PCB se han caracterizado midiendo su coeficiente de transmisión a una sola 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 simulación correspondientes. Como es evidente, existe una buena concordancia entre las mediciones y las simulaciones, tanto en torno a la resonancia fundamental como a frecuencias más altas. Cuando las celdas unitarias de kirigami están cerradas, el FSS exhibe su resonancia de banda de paso fundamental a aproximadamente 6,7 GHz, mientras que para el patrón abierto la resonancia ocurre a 7,8 GHz. En otras palabras, en principio, se puede obtener un cambio del 15 % en la frecuencia de la respuesta de banda de paso fundamental del FSS transformando mecánicamente la estructura 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 FSS. .

En general, estas mediciones de muestras de FSS de tamaño finito real confirman las predicciones basadas en la simulación de las estructuras periódicas infinitas ideales correspondientes 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 aplicara directamente sobre las láminas de caucho que se pueden aplicar con 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 conserve 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 exhibe 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 hacer una modificación simple del patrón de inicio kirigami original para lograr una respuesta FSS de encendido/apagado conmutable 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 modifica insignificantemente por su presencia. Los coeficientes de transmisión y reflexión simulados de la estrella FSS modificada 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 periódico de ranuras en el estado cerrado, ya que las longitudes reales de las diversas ranuras son menos de la mitad de las correspondientes en el original. patrón. De esta forma, el nivel de transmitancia en el rango de frecuencias de interés se reduce considerablemente. De hecho, este enfoque podría usarse para realizar un FSS conmutable mecánicamente de dos estados, siendo el FSS 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 kirigami transformables para múltiples aplicaciones electromagnéticas. Las topologías de la estructura se pueden ajustar y bloquear dinámicamente en varias configuraciones diferentes debido a su estabilidad múltiple. 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 goma sobre la que se corta el patrón kirigami, y que se conserve la continuidad eléctrica entre las celdas mientras la estructura sufre una deformación mecánica para reconfigurar su respuesta EM. . Esto es muy desafiante en 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 concepto, desarrollamos versiones de PCB estáticas de los FSS transformables en sus diferentes configuraciones, mientras que usamos 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 electromagnéticas propuestas inspiradas en kirigami, se requeriría una superficie conductora estirable capaz de soportar compresiones y elongaciones mecánicas repetidas36. En los últimos años, ha habido un progreso significativo en el desarrollo de conductores elásticos, que son componentes esenciales para redes de actuadores y sensores estirables de gran área para el cuidado de la salud, 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 un buen rendimiento eléctrico. Se ha descubierto que los nanomateriales a base de plata, incluidas las nanopartículas de plata, los nanocables y los nanoescamas, 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 del progreso significativo en el desarrollo de conductores estirables se puede encontrar en42.

Otro enfoque para realizar electrónica estirable es usar islas de dispositivos activos rígidos e interconexiones estirables, como en43,44. De manera similar, en nuestras estructuras kirigami podríamos introducir un patrón periódico de parches metálicos rígidos desconectados en la parte superior del sustrato de goma, dejando al descubierto pequeñas porciones de la superficie de goma alrededor de las bisagras de flexión, 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, tanto mediante análisis paramétrico como mediante la construcción de modelos de energía, 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 basadas en cinemática, podemos crear varias estructuras cambiantes 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 ajuste para las propiedades eléctricas y las respuestas EM de antenas sintonizables, filtros y otros componentes, según lo requieran las próximas generaciones de sistemas de comunicación inalámbricos, sensores remotos y dispositivos electrónicos portátiles para biomédica. aplicaciones

Todos los datos están disponibles en el texto principal o en los materiales complementarios.

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Los autores quisieran agradecer a Paul Pattinson por su ayuda en la fabricación de los prototipos de PCB.

Este trabajo fue apoyado en parte por el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas del Reino Unido bajo la subvención EP/N010493/1 ("Synthesizing 3-D Metamaterials for RF, Microwave and THz Applications"). ZY desea reconocer 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 por igual: 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

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

YY llevó a cabo el diseño de los patrones de kirigami, fabricó los prototipos, realizó los análisis y experimentos sobre su rendimiento mecánico y redactó y revisó el manuscrito. AV propuso y desarrolló las aplicaciones de dipolo sintonizable y superficies selectivas de frecuencia, realizó los 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 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 Agosto 2022

Aceptado: 29 de diciembre de 2022

Publicado: 21 enero 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-27291-8

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