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工程与材料科学部

    我国学者在多稳态剪纸超结构研究中取得重要进展

    日期 2022-03-17   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

    图.A: 可折展剪纸结构;B:一种由三个三稳态单元组成的可编程多稳态超结构;C:基于三稳态结构的频率可重构天线

      在国家自然科学基金项目(批准号:51825503,52035008,52105032)的资助下,天津大学机械工程学院陈焱教授团队与天津大学微电子学院马凯学教授团队、英国牛津大学Zhong You教授合作,利用剪纸技术发明了具有三个零能稳态的胞元结构,以及一系列可编程多稳态超结构,并成功将三稳态结构应用于频率可重构天线的设计,实现了5G三频段通讯。相关研究成果以“可编程多稳态剪纸超结构(Kirigami-based Metastructures with Programmable Multistability)”为题,于2022年3月7日在线发表于《美国科学院院刊》(Proceedings of National Academy of Sciences of the United States of America,PNAS)上。论文链接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2117649119。

      多稳态结构可以实现快速的结构重构以达到特定多种功能,目前已经在超材料、机器人、机械二极管、机械存储器、可展结构等领域发挥着重要作用。大多数现有多稳态结构的设计是基于双稳态单元的二维/三维串并联组合,故缺乏真正的多稳态单元结构。而双稳态一般是基于结构整体或其部件的屈曲失稳,很少有学者从铰链设计的角度来研发多稳态结构。

      针对零能量多稳态单元的设计问题,研究团队应用剪纸技术并通过设计一组具有特定有效激活范围的弹性铰链,构造了一种新型三稳态胞元结构,其稳态转换过程中的能量峰值可根据结构的几何参数以及弹性铰链的材料属性实现编程设计。同时,以该三稳态结构为基本单元,构造了一系列多稳态超结构,并通过单元的数量、手性与设计参数、加载模式与顺序对超结构的稳态数量、稳态组合及稳态变换顺序进行编程设计。最后,研究团队成功将三稳态结构应用于具有5G三频段的可重构天线的设计,证明了三稳态结构的应用潜力。

      该项研究不仅为多稳态结构的设计提供新思路,还有望在频率可重构天线、可调控超材料、可展结构、可重构机器人等领域得到应用。