Uma nova classe de metamateriais transformáveis ​​de kirigami para sistemas eletromagnéticos reconfiguráveis

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 1219 (2023) Citar este artigo

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O rápido desenvolvimento de componentes de radiofrequência (RF) requer materiais multifuncionais inteligentes que possam adaptar suas formas físicas e propriedades de acordo com o ambiente. Embora a maioria dos sistemas reconfiguráveis ​​atuais forneça flexibilidade limitada com alto custo de fabricação, esta pesquisa propõe aproveitar as propriedades transformáveis ​​de metasuperfícies mecânicas multiestáveis ​​inspiradas em kirigami que podem se deformar repetidamente e travar em diferentes configurações para criar uma nova classe de estruturas eletromagnéticas reconfiguráveis ​​de baixo custo com um amplo espaço de design. As metasuperfícies são formadas projetando células unitárias baseadas em cinemática com revestimento metalizado que podem fornecer propriedades eletromagnéticas ressonantes (EM) ajustáveis ​​enquanto giram umas em relação às outras. Adaptando o comprimento de corte e os parâmetros de geometria dos padrões, demonstramos a programação das topologias e formas de diferentes configurações. A influência de parâmetros críticos na multiestabilidade estrutural é ilustrada por meio de um modelo simplificado de energia e simulações de elementos finitos. Como exemplos dos dispositivos eletromagnéticos reconfiguráveis ​​que podem ser realizados, relatamos o desenvolvimento de um dipolo sintonizável de meia onda e dois projetos de superfície seletiva de frequência (FSS) apresentando respostas isotrópicas e anisotrópicas. Enquanto o dipolo kirigami pode ser ajustado esticando mecanicamente seus braços, os FSSs exibem espectros de transmitância e refletância distintos em cada um dos estados estáveis ​​dos padrões kirigami. A funcionalidade desses dispositivos de kirigami é validada por simulações e experimentos EM de onda completa. As estruturas transformáveis ​​propostas podem ser acionadas mecanicamente para ajustar a resposta EM em frequência ou induzir anisotropias para propagação de ondas.

A expansão da comunicação sem fio e a crescente diversidade de serviços sem fio avançados resultaram em uma demanda crescente por sistemas eletromagnéticos (EM) reconfiguráveis ​​capazes de suportar a mobilidade contínua do usuário em diferentes tecnologias de acesso sem fio. Entre os principais componentes para projetar arquiteturas de transmissor e receptor multipadrão estão antenas sintonizáveis ​​e superfícies seletivas de frequência reconfiguráveis ​​(FSSs). Na maioria dos designs de antenas e FSSs sintonizáveis, a reconfigurabilidade é obtida alterando os padrões de corrente na antena ou na célula unitária dos FSSs usando interruptores, como diodos de pinos e interruptores microeletromecânicos (MEMSs), ou carregando as estruturas com diodos varactor, que fornecem uma capacitância controlada por tensão variável1,2,3,4. No entanto, os circuitos de polarização e controle necessários para acionar esses componentes ativos aumentam a complexidade do sistema, podendo ser fonte de interferências e reflexões, além de introduzir perdas adicionais de condução, contribuindo assim para a redução do desempenho geral, principalmente em altas frequências .

Recentemente, novas abordagens para ajustar a resposta de componentes eletromagnéticos com base na transformação mecânica foram propostas. No FSS composto por ressonadores cerâmicos com diferentes respostas de parada de banda sob incidências frontais e laterais desenvolvidas em 5, a resposta pode ser reconfigurada entre duas bandas adjacentes simplesmente mudando mecanicamente a orientação dos ressonadores cerâmicos. Particularmente interessante é uma família de metamateriais mecânicos que podem explorar o comportamento de transformação da forma para ajustar suas propriedades mecânicas e dielétricas6,7,8,9. Metamateriais mecânicos com flexibilidade estrutural superior podem ter baixa perda eletromagnética para ondas milimétricas, enquanto exigem custo de fabricação comparativamente baixo; isso os torna candidatos atraentes para a realização de componentes eletromagnéticos reconfiguráveis, que são cruciais para muitos setores, como as próximas gerações de sistemas de comunicação sem fio, 5G e além, suportando aplicativos multimodo e multibanda10,11,12 e, portanto, exigindo antenas reconfiguráveis ​​multifuncionais para substituir várias antenas legadas de função única13,14,15,16. Sensores reconfiguráveis ​​para a extração remota não destrutiva e monitoramento de várias quantidades, como deformação, material dielétrico e propriedades líquidas17,18, e eletrônicos vestíveis19, onde os recursos de remodelação podem aumentar a adaptabilidade e conformidade da plataforma eletrônica ao corpo humano e, portanto, podem ser instrumentais para tecnologias biomédicas20,21.