基于Kresling折纸的超材料机器人用于动态电磁控制

《Advanced Science》：Kresling Origami-Based Metamaterial Robot for Dynamic Electromagnetic Control

　　

可重构超材料在可调谐微波器件领域取得了显著进展，然而现有方法常受限于有限的机械可重构性和对电磁干扰的敏感性。在此，研究人员引入一种利用双稳态Kresling折纸实现动态电磁控制的超材料机器人。通过将气动驱动折叠结构与数字光处理（DLP）打印的SrTiO₃高介电常数陶瓷贴片相结合，该设计建立了一个统一平台，使机械变形与微波谐振行为能够主动协同调控。Kresling几何结构固有的耦合拉伸-扭转运动同时调整了陶瓷谐振器的轴向高度、面内取向、局部传播相位和边界条件，从而调制了不同频段内介电谐振响应的激励条件。实验上，单个折纸单元从折叠状态切换至展开状态，使可分辨反射峰的数量从两个增加到三个，最小反射率约为?35.6 dB。旋转SrTiO₃贴片进一步将双谐振中心频率从3.71–3.87 GHz和16.72–17.26 GHz分别移至4.36–4.45 GHz和16.31–16.72 GHz。将该概念扩展至空间异质折纸阵列，可实现对两个谐振峰的耦合控制，在12 GHz处获得低至?54.4 dB的最小峰值反射率和51.0 dB的反射调制深度。

**论文解读：基于Kresling折纸的超材料机器人实现动态电磁控制**

**研究背景与问题**
传统超材料在制造后其几何结构与电磁功能永久锁定，而现有可调谐策略（如相变材料、液晶、光学控制超表面）虽各有优势，但普遍引入系统级复杂性，需持续供电、辅助偏置网络或特定外部场，且易受电磁干扰影响。机械重构作为一种替代路径，通过结构变形直接改变谐振单元的位置、取向和耦合条件，实现基于几何的频谱调谐。其中，折纸启发的架构因可编程折叠运动学、大变形范围和可逆稳定构型切换而备受关注。Kresling折纸以其固有的耦合拉伸-扭转运动和优异的多稳态特性，近年来已被广泛研究用于机械振动控制和能量收集，但将其与高介电常数陶瓷贴片集成以实现微波介电谐振的动态调控仍属空白。现有基于折纸的电磁系统多依赖全局形状变化或单构型切换，难以实现多单元协调、空间异质排列与共定位驱动控制。因此，本研究旨在同时实现大范围可逆变形、稳定双稳态构型保持以及介电谐振器的紧凑集成。

**研究内容与结论**
研究人员提出一种基于Kresling折纸的超材料机器人，将双稳态折叠架构、数字光处理（DLP）打印的SrTiO₃陶瓷贴片与气动驱动集成于统一可重构平台。该设计利用每个Kresling单元固有的耦合拉伸-扭转运动，同时调整陶瓷谐振器的轴向高度、面内取向、局部传播相位和边界条件，从而通过几何驱动范式实现微波响应的结构介导重构，无需电子元件、持续外部场或连续供电。实验表明：单个折纸单元从折叠态切换至展开态，可分辨反射峰从两个增至三个，最小反射率达?35.6 dB；旋转SrTiO₃贴片使双谐振中心频率从3.71–3.87 GHz/16.72–17.26 GHz分别移至4.36–4.45 GHz/16.31–16.72 GHz。扩展至空间异质折纸阵列后，可实现对两个谐振峰的耦合控制，在12 GHz处获得?54.4 dB的最小峰值反射率和51.0 dB的调制深度。该研究验证了折纸重构作为结构自由度用于编程凹口数、频率和深度的有效性，双稳态设计无需持续供电即可保持状态，克服了传统可调谐超材料的关键限制，为机械可编程微波器件开辟了新途径。论文发表在《Advanced Science》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用以下关键方法：1）基于Kresling折纸的几何与力学模型，利用静止势能原理建立驱动力学模型，分析平面角分数λ和边数n对双稳态和变形行为的影响；2）基于DLP的陶瓷3D打印技术制备T形SrTiO₃高介电常数陶瓷贴片（烧结温度1300°C），将其附着于Kresling折纸单元上表面形成8×8单元阵列；3）气动驱动系统，通过注射器、气泵、调压阀和硅胶管构成气动网络，将气压信号转换为折纸单元的高度和扭转角变化，实现亚秒级构型切换（0.10 MPa下约0.651 s，0.25 MPa下约0.069 s）；4）拱形法反射率测量系统（2–18 GHz），在微波暗室中采用时域门控抑制杂散反射，入射与反射夹角10°。

**研究结果**

**3.1 几何与力学模型**
通过建立Kresling折纸单元的简化桁架模型和旋转弹簧模型，基于静止势能原理推导了驱动力学方程。研究发现，较大的平面角分数λ导致更高的最大输出力和刚度（λ=0.92时输出力约1.6 N，是λ=0.78时的2.7倍），而较低的λ更有利于大变形姿态调整。压缩过程中，折痕为主要承载部件，连接面应力远低于折痕。

**3.2 实验装置与结构设计**
选用λ=0.78、n=8、R=15 mm的折纸单元，确保双稳态特性。T形SrTiO₃陶瓷贴片整体外接尺寸8×8 mm，厚度1 mm，在2–18 GHz测试频段内具有亚波长特性（低频约0.088–0.110λ₀）。旋转平台集成步进电机和齿轮传动，由Arduino UNO-R3控制。气动驱动系统实现亚秒级动态响应（0.10 MPa下切换时间0.651 s，0.25 MPa下0.069 s），电磁响应稳定时间约0.1 s。

**3.3 电磁波操控**
- **单单元构型切换**：折叠态（State-0）至展开态（State-1）的切换使可分辨反射峰从两个增至三个，低频峰红移，中频区出现新反射谷（~9.97 GHz），高频峰蓝移。中心频率随旋转角度θ变化，高频峰角度依赖性更强。反射谷深度在State-1中高频峰调制范围更大。
- **电场与损耗分布**：State-0下，3.74 GHz电场和损耗集中于陶瓷主体下部和肩部；17.05 GHz呈多区域分散分布。State-1下，3.26 GHz电场重新分布至边缘和头部，9.97 GHz集中于中心及头部，17.61 GHz呈离散局域化。模拟反射谱与实验趋势一致，表明Kresling变形通过轴向高度和面内扭转重构了局部电场和损耗分布。
- **同向与反向排列**：State-0同向排列下，双峰具有良好角度稳定性（低频3.71–3.87 GHz，高频16.72–17.26 GHz，最小反射率?20.6 dB和?24.1 dB）。State-2反向排列后，系统对称性改变，反相耦合增强，高频峰出现强角度波动，中心频率移至4.36–4.45 GHz和16.31–16.72 GHz，显着频移。
- **空间异质阵列**：State-3由折叠和展开单元交替列组成，整体绕z轴旋转。反射率随θ动态变化，低反射区集中于10–15 GHz，最小峰值反射率?54.4 dB。三峰中，Peak 1频率稳定（3.80–3.84 GHz），Peak 2和Peak 3频率随θ变化（10.97–12.54 GHz和12.27–13.67 GHz），最小反射率分别达?51.9 dB和?53.6 dB。TE/TM极化下电场分布差异表明，异质排列通过高度差和取向差引入峰间耦合，实现高调制深度。

**结论与讨论**
本研究利用双稳态Kresling折纸建立了机械变形与微波谐振之间的直接结构驱动联系。与需持续供电或外部偏置的电子调谐方案不同，该气动超材料机器人仅通过几何实现频谱控制。每个单元的耦合拉伸-扭转运动调整了SrTiO₃贴片的轴向高度、取向、相位和边界条件。单单元展开产生一个可分辨反射峰，旋转贴片使双谐振中心频移。异质阵列进一步实现耦合调控，在12 GHz处将反射率推至?54.4 dB，调制深度51.0 dB。这些结果验证了折纸重构作为结构自由度用于编程凹口数、频率和深度的有效性。双稳态设计无需持续供电即可保持状态，克服了传统可调谐超材料的关键限制，为机械可编程微波器件开辟了新途径。