Une nouvelle classe de métamatériaux kirigami transformables pour les systèmes électromagnétiques reconfigurables

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 1219 (2023) Citer cet article

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Le développement rapide des composants radiofréquence (RF) nécessite des matériaux multifonctionnels intelligents capables d'adapter leurs formes physiques et leurs propriétés en fonction de l'environnement. Alors que la plupart des systèmes reconfigurables actuels offrent une flexibilité limitée avec un coût de fabrication élevé, cette recherche propose d'exploiter les propriétés transformables des métasurfaces mécaniques multistables inspirées du kirigami qui peuvent se déformer et se verrouiller à plusieurs reprises dans différentes configurations pour réaliser une nouvelle classe de structures électromagnétiques reconfigurables à faible coût avec un large espace de conception. Les métasurfaces sont formées en concevant des cellules unitaires à base cinématique avec un revêtement métallisé qui peuvent fournir des propriétés électromagnétiques résonnantes (EM) réglables tout en tournant les unes par rapport aux autres. En adaptant la longueur de coupe et les paramètres de géométrie des motifs, nous démontrons la programmation des topologies et des formes de différentes configurations. L'influence des paramètres critiques sur la multistabilité structurale est illustrée au moyen d'un modèle énergétique simplifié et de simulations par éléments finis. Comme exemples de dispositifs électromagnétiques reconfigurables qui peuvent être réalisés, nous rapportons le développement d'un dipôle demi-onde accordable et de deux conceptions de surface sélective de fréquence (FSS) présentant des réponses isotropes et anisotropes. Alors que le dipôle kirigami peut être réglé en étirant mécaniquement ses bras, les FSS présentent des spectres de transmission et de réflectance distincts dans chacun des états stables des motifs kirigami. La fonctionnalité de ces appareils kirigami est validée à la fois par des simulations EM pleine onde et des expériences. Les structures transformables proposées peuvent être actionnées mécaniquement pour régler la réponse EM en fréquence ou induire des anisotropies pour la propagation des ondes.

L'expansion des communications sans fil et la diversité croissante des services sans fil avancés ont entraîné une demande croissante de systèmes électromagnétiques (EM) reconfigurables capables de prendre en charge la mobilité transparente des utilisateurs à travers différentes technologies d'accès sans fil. Parmi les composants clés pour concevoir des architectures d'émetteurs et de récepteurs multinormes figurent des antennes accordables et des surfaces reconfigurables sélectives en fréquence (FSS). Dans la plupart des conceptions d'antennes et de FSS accordables, la reconfigurabilité est obtenue en modifiant les modèles de courant dans l'antenne ou la cellule unitaire des FSS à l'aide de commutateurs, tels que des diodes pin et des commutateurs micro-électromécaniques (MEMS), ou en chargeant les structures avec des diodes varactor, qui fournissent une capacité variable commandée en tension1,2,3,4. Cependant, les circuits de polarisation et de contrôle nécessaires pour piloter ces composants actifs augmentent la complexité du système et peuvent être la source d'interférences et de réflexions, en plus d'introduire des pertes de conduction supplémentaires, contribuant ainsi à la réduction des performances globales, en particulier aux hautes fréquences. .

Récemment, de nouvelles approches pour régler la réponse des composants électromagnétiques basées sur la transformation mécanique ont été proposées. Dans le FSS composé de résonateurs en céramique avec différentes réponses d'arrêt de bande sous incidences frontale et latérale développées en 5, la réponse peut être reconfigurée entre deux bandes d'arrêt adjacentes en changeant simplement mécaniquement l'orientation des résonateurs en céramique. Particulièrement intéressante est une famille de métamatériaux mécaniques qui peuvent exploiter le comportement de morphing de forme pour ajuster leurs propriétés mécaniques ainsi que diélectriques6,7,8,9. Les métamatériaux mécaniques avec une flexibilité structurelle supérieure peuvent avoir une faible perte électromagnétique pour les ondes millimétriques, tout en nécessitant un coût de fabrication relativement faible ; cela en fait des candidats attractifs pour la réalisation de composants électromagnétiques reconfigurables, cruciaux pour de nombreux secteurs, tels que les prochaines générations de systèmes de communications sans fil, 5G et au-delà, prenant en charge les applications multimodes et multibandes10,11,12, et donc nécessitant des antennes reconfigurables multifonctions pour remplacer plusieurs des anciennes antennes à fonction unique13,14,15,16. Capteurs reconfigurables pour l'extraction et la surveillance à distance non destructives de diverses quantités telles que la contrainte, les propriétés des matériaux diélectriques et des liquides17,18, et l'électronique portable19, où les capacités de remodelage peuvent augmenter l'adaptabilité et la conformité de la plate-forme électronique au corps humain et peuvent donc jouer un rôle déterminant pour les technologies biomédicales20,21.

Généralement, la reconfiguration mécanique peut présenter certains avantages par rapport aux composants électroniques, par exemple, elle ne nécessiterait pas de tensions de polarisation élevées, et donc pas de circuits de commande de polarisation qui peuvent ajouter de la complexité et des pertes au système. De plus, dans les métamatériaux mécaniques, il n'y a pas de composantes de fréquence parasites dues à la non-linéarité des dispositifs actifs, et ils se prêtent à des applications de forte puissance car il n'y a pas de risque de claquage électrique. D'autre part, l'utilisation de matériaux accordables tels que les ferroélectriques, les ferrites et les cristaux liquides, dont les propriétés électriques peuvent être contrôlées par l'application d'une polarisation externe (par exemple, chaleur, champ électrique ou magnétique, rayonnement optique, etc.), nécessite généralement des tensions de polarisation élevées ou une consommation d'énergie CC élevée et présentent une sensibilité indésirable aux variations thermiques. Comme inconvénient possible, les dispositifs RF reconfigurables mécaniquement ont tendance à avoir une réponse de réglage relativement plus lente, qui peut cependant être améliorée grâce à l'utilisation de matériaux et de méthodes de fabrication appropriés et à des implémentations spécifiques de l'actionneur mécanique externe requis pour obtenir un déploiement plus rapide. Des revues complètes des applications de différentes techniques de réglage, y compris l'actionnement mécanique, les matériaux accordables et les dispositifs électroniques intégrés, avec des avantages et des inconvénients, peuvent être trouvées dans22,23, avec une référence particulière aux métasurfaces.

Cette recherche vise à tirer parti des propriétés transformables des métamatériaux mécaniques pour développer une nouvelle classe de dispositifs électromagnétiques reconfigurables. En concevant des cellules unitaires basées sur la cinématique qui peuvent tourner les unes par rapport aux autres et en équipant chaque unité d'éléments métallisés pour fournir des propriétés électromagnétiques résonnantes réglables, nous sommes en mesure d'actionner mécaniquement la structure transformable pour régler la réponse EM en fréquence ou induire des anisotropies pour les ondes. propagation.

Des structures basées sur l'origami ont déjà été suggérées comme solution pour créer des FSS accordables à état continu déployables, dans lesquelles un motif d'origami permet le changement de la forme globale de la structure qui fournit la reconfigurabilité souhaitée24,25,26 ; pourtant, la déformation hors du plan des structures d'origami rend leur application difficile dans des composants plans construits de manière compacte. Des structures auxétiques planaires avec des éléments induits par flambage ont également été proposées pour des applications de compatibilité électromagnétique27,28. Ces mécanismes cinématiques présentent généralement de petites déformations continues ; par conséquent, ils ont besoin d'un contrôle précis pour se déployer dans les configurations spécifiques qui fournissent la réponse en fréquence variable souhaitée. Atteindre une commutation robuste et stable entre plusieurs configurations est très difficile et nécessite généralement qu'un état précontraint soit maintenu dans la structure29. Pour résoudre ce problème, nous développons une structure multistable qui peut se verrouiller de manière répétée dans plusieurs configurations, avec des réponses EM distinctes. Les structures multistables ont plusieurs états d'équilibre où l'énergie potentielle atteint des minima locaux, de sorte que la structure aurait automatiquement tendance à rester dans ces configurations, ce qui leur donne un avantage significatif par rapport aux structures à mouvement continu pour les matériaux commutables30,31.

Les conceptions multistables que nous avons développées dans ce travail sont inspirées de l'art kirigami32. En ajustant la longueur de coupe et les paramètres de géométrie des motifs, nous démontrons la programmation des topologies et des formes de différentes configurations. Les résultats basés sur un modèle énergétique simplifié et des simulations par éléments finis sont présentés pour illustrer l'influence des paramètres critiques sur la bistabilité structurale. Nous montrons que ces structures peuvent être exploitées pour réaliser une variété de dispositifs électromagnétiques reconfigurables. En particulier, nous nous concentrons sur le développement d'un dipôle demi-onde accordable et de deux conceptions FSS, dont l'une présente une réponse isotrope tandis que l'autre est anisotrope. Le dipôle et les FSS peuvent être réalisés en créant une couche électriquement conductrice/métallique sur un côté de la feuille de caoutchouc sur laquelle le motif kirigami est découpé ; une autre option serait de former la structure kirigami avec un matériau à permittivité élevée, mais dans ce travail, nous nous concentrons sur la première approche. Une fois recouverte d'une métallisation appropriée, la réponse dipolaire du kirigami peut être réglée en étirant mécaniquement ses bras, tandis que les métasurfaces du kirigami se comporteraient comme des FSS présentant des spectres de transmission et de réflectance spécifiques dans chacun de leurs états stables.

Le papier a la structure suivante. La section « Résultats » présente les simulations et les expériences menées pour valider la fonctionnalité des appareils kirigami proposés. Dans la section "Discussion et conclusions", l'approche de fabrication est discutée et les remarques finales sont tirées, tandis que les détails de l'analyse énergétique structurelle sont délégués à la section Matériaux supplémentaires.

Nous nous concentrons sur les modèles de kirigami qui ont la caractéristique suivante : (1) l'état fermé du métamatériau n'a pas de vides de manière à imiter un écran conducteur ; (2) les états stables des métamatériaux sont des structures planes de manière à se comporter comme des surfaces sélectives en fréquence planes ; (3) le métamatériau a des comportements bistables de sorte qu'il peut se verrouiller dans divers états stables. En suivant cette voie, nous nous inspirons des motifs géométriques kirigami et du design des structures bistables. Nous nous concentrons particulièrement sur deux conceptions : un motif en triangle qui peut s'allonger dans une seule direction et un motif en étoile qui peut se déployer orthotopiquement. En faisant tourner l'élément triangulaire dans les cellules unitaires, le motif peut s'étendre à de multiples configurations et conserver la déformation une fois la charge relâchée.

Comme le montre la figure la, l'unité du motif de coupe en triangle comprend huit triangles reliés les uns aux autres au niveau de leurs sommets via de fins ligaments. Lorsque l'unité est étirée horizontalement, les ligaments minces agissent comme des charnières de flexion et les triangles sont capables de tourner autour des sommets de connexion par rapport aux sommets adjacents. Ce déploiement génère trois vides quadrilatéraux à l'intérieur de la cellule unitaire. Lorsque la cellule unitaire est étirée jusqu'à une configuration spécifique, elle est capable de se verrouiller dans un état ouvert. Pour restaurer la cellule unitaire dans sa configuration d'origine, une paire de forces de compression doit être appliquée à la cellule unitaire pour lui permettre de revenir à l'état fermé. La mosaïque de la cellule unitaire dans les directions horizontale et verticale crée une métasurface. La figure 1b montre un exemple composé de cellules de 2 × 3 unités. Lorsqu'elles sont soumises à un étirement ou à une compression uniforme horizontalement, les cellules unitaires d'une même colonne auront des mouvements équivalents car leur largeur est contrainte par les unités adjacentes supérieure et inférieure; d'autre part, dans chaque rangée, les cellules unitaires peuvent se verrouiller dans différentes configurations, conduisant à une caractéristique multistable (Film M1). De cette manière, nous pouvons générer des métasurfaces avec des topologies différentes en déployant certaines colonnes de la même structure (Film M2). La figure 1c montre un métamatériau du même motif réalisé par gravure au laser d'une feuille de caoutchouc dans ses états ouvert et fermé correspondant à ceux de la figure 1b.

Conception de structures métamatérielles. Paramètres de conception de l'unité avec (a) motif triangulaire et (d) motif en étoile. Les états fermé et ouvert du métamatériau triangulaire tesselé (b) et du métamatériau étoilé (e). Photographie de l'échantillon gravé au laser avec (c) des motifs triangulaires et (d) en étoile, dans leurs états fermés et ouverts. La longueur de la barre d'échelle est de 1 cm.

La déformation du métamatériau peut être modélisée comme un assemblage de mécanismes planaires. Si nous supposons que l'épaisseur des charnières de flexion est nulle, c'est-à-dire que les triangles ont une connexion sommet à sommet idéale, la transformation de la structure peut être considérée comme un mouvement mécanique où toutes les pièces triangulaires sont des corps rigides (Matériaux supplémentaires S2) . Cependant, dans le processus de déformation du matériau réel, la structure n'a pas de charnières parfaites aux sommets. Au lieu de cela, les charnières de flexion sont pliées et dépliées pendant la transformation, ce qui conduit à une variation d'énergie de déformation élastique. Cela se traduit par plusieurs états stables, de l'état fermé à l'état ouvert entièrement déployé. En d'autres termes, la métafeuille est capable de rester dans un certain nombre de formes déformées même si la charge est supprimée.

Alors que le modèle de triangle précédent est capable de s'allonger dans une seule direction, nous développons davantage un modèle d'étoile qui peut se déployer de manière isotrope. Comme le montre la figure 1d, la cellule unitaire se compose de huit petits triangles reliés par une étoile à quatre branches. Cinématiquement, la structure n'est pas en mesure de se déployer si aucune déformation dans l'étoile et les triangles n'est autorisée. Cependant, si les dimensions des ligaments minces sont soigneusement adaptées, la cellule unitaire est transformable par un processus d'encliquetage. Un quart de la cellule unitaire est similaire à l'arrangement de connexion du motif en triangle : pendant la déformation, l'étoile limite la distance entre une paire de ces triangles, de sorte que les deux petits triangles comprimeraient sévèrement le ligament médian pour tourner vers l'extérieur, conduisant à un comportement instantané. Si nous étirons une métafeuille 3 × 3 uniformément le long de ses quatre coins, elle s'enclenche dans un motif ouvert isotrope, comme illustré à la Fig. 1e (Film M1). Si la force est appliquée le long de l'une des directions diagonales, la structure forme une forme de diamant semi-ouvert où seules deux paires de triangles s'ouvrent, comme indiqué dans les matériaux supplémentaires S2. Alors que l'état semi-ouvert du motif en étoile présente une réponse anisotrope avec une transmittance différente en fonction de la polarisation de l'onde entrante, les motifs fermés et ouverts sont sensiblement isotropes en raison de la symétrie de rotation à quatre lignes et quadruple de leurs cellules unitaires. Dans cette recherche, nous nous intéressons particulièrement aux réponses de ces derniers états isotropes.

Lorsqu'elle est tessellée dans le plan, la géométrie de la cellule unitaire est couplée à ses voisines dans deux directions, par conséquent, le nombre d'états stables reste le même quel que soit le nombre de cellules unitaires. Le film M2 montre le processus de reconfiguration de la métasurface stellaire. La structure n'est géométriquement compatible qu'à l'état fermé et à l'état ouvert. La figure 1f montre le prototype découpé au laser d'une métafeuille en étoile de 3 × 3 unités. Notez qu'il peut avoir tendance à avoir une déformation hors du plan dans la vidéo lorsque la structure a été découpée dans une feuille de caoutchouc plutôt mince.

Une analyse par éléments finis (FE) non linéaire a été effectuée pour explorer la bistabilité de la structure. La simulation a été réalisée à l'aide du solveur ABAQUS Standard Implicit Dynamics avec une dissipation modérée qui améliore la convergence lorsque l'auto-contact est présent. Nous utilisons la méthode néo-Hooke pour la caractéristique hyperélastique des feuilles de caoutchouc, et les non-linéarités géométriques ont été prises en compte. Les modèles ont été discrétisés avec CPS8R et CPS6. Pour les modèles à cellule unitaire, des conditions aux limites périodiques ont été appliquées. Une loi de contact simplifiée a été attribuée au modèle avec contact dur pour un comportement normal. Un modèle paramétrique a été créé à l'aide de l'interface de script Python d'ABAQUS pour étudier plus avant le rôle de différents paramètres géométriques sur la réponse des métamatériaux mécaniques conçus. Pour le motif triangulaire, la longueur et la largeur de la cellule unitaire sont lt = 16 mm, son épaisseur est de 2,3 mm, la largeur de la coupe est de 0,2 mm et α = π/4. Comme discuté précédemment, la multi-stabilité de la structure est principalement apportée par l'élasticité des rotules de flexion, qui dépend fortement de la dimension de ces rotules t. Pour valider les facteurs influençant la bistabilité, nous avons simulé la réponse d'une cellule unitaire sous une variation de longueur uniaxiale dans la direction horizontale (chargement de déplacement) et suivi simultanément leur force de réaction F et la déformation technique e, définie comme la variation de longueur sur la longueur d'origine de la cellule unitaire. Trois cas ont été considérés avec t/lt = 0,031, 0,034 et 0,038, respectivement. Comme le montre la figure 2a, la courbe force-déformation est fortement non linéaire et la force de réaction chute en dessous de zéro puis revient à des valeurs positives lorsque t/lt = 0,031 et 0,034. Ce phénomène indique qu'il existe un certain nombre de positions stables que la structure pourrait prendre sans aucune force d'étirement. Lorsque t/lt = 0,038, F est toujours supérieur à zéro, indiquant que la position stable intermédiaire n'existe pas. Par conséquent, le réglage de t peut programmer les positions stables de la structure. De plus, plus t est grand, plus la force d'étirement nécessaire pour déployer la feuille est élevée. La distribution de la contrainte de von Mises d'une cellule unitaire avec t/lt = 0,034 sur la figure 2b montre que la contrainte élevée se localise principalement au niveau des charnières et que le reste de la structure présente une déformation presque négligeable, ce qui est conforme à l'hypothèse selon laquelle les pièces triangulaires peuvent être traitées cinématiquement comme des corps rigides. Pour le prototype de caoutchouc gravable en caoutchouc, t a été choisi comme t = 0,55 mm (t/lt = 0,034).

Analyse de bistabilité. (a,b) Simulations par éléments finis du motif triangulaire. (c, d) Les simulations par éléments finis du motif en étoile.

Pour optimiser davantage le comportement bistable des deux modèles de coupe en détail, nous avons construit un modèle d'énergie élastique simplifié des deux structures, et cette analyse paramétrique est fournie dans les matériaux supplémentaires S2. Le modèle énergétique indique que différentes dimensions de charnière ont une influence différente sur la bistabilité du métamatériau.

Le modèle en étoile est analysé selon la même méthode. La longueur et la largeur de la cellule unitaire sont ls = 14 mm et β = 24°. Nous définissons la dimension charnière comme s, et laissons s/ls = 0,028, 0,039 et 0,050. Nous avons simulé la réponse d'une cellule unitaire en étoile sous une charge de déplacement horizontal et vertical uniforme aux quatre coins de la cellule unitaire et suivi leur force de réaction F et la déformation technique e. Comme le montre la figure 2c, la force de réaction chute en dessous de zéro puis revient à des valeurs positives pour s/ls = 0,028 et 0,039. Le déploiement de chaque paire de triangles est similaire à celui du motif en triangle. s a une grande influence sur la multistabilité de la structure ; plus s est petit, plus il est susceptible d'avoir un comportement bistable. Cependant, on ne peut pas faire des s trop petits car la liaison entre les pièces deviendrait trop fragile après plusieurs tours de déploiement. Le minimum s requis pour avoir une position stable intermédiaire est de 0,5 mm (s/ls = 0,036), et donc, pour le prototype de caoutchouc gravable au laser, nous avons choisi s = 0,55 mm (s/ls = 0,039). La figure 2d montre la distribution de la contrainte de von Mises dans la cellule unitaire en étoile, et la contrainte se localise à nouveau principalement au niveau des charnières.

L'influence des dimensions de la charnière en étoile et de l'angle du bras β est également étudiée pour la stabilité structurelle dans les matériaux supplémentaires S2. Géométriquement, un β plus petit permet à la structure de se déployer dans une plus grande mesure, ce qui augmente l'écart de géométrie nécessitant une grande force d'encliquetage.

Dans les matériaux supplémentaires S2, les tests de traction des modèles découpés au laser sont également démontrés, et ils sont en accord avec les résultats numériques.

Un dipôle demi-onde reconfigurable et accordable est présenté comme une application potentielle des structures de kirigami multistables, en particulier du kirigami triangulaire représenté sur la figure 1a. Cette application s'inspire évidemment des antennes dipôles demi-onde accordables classiques à éléments télescopiques33. Une version électronique avancée du concept de dipôle télescopique a été récemment proposée sous la forme d'une structure de réseau de diodes pin dont les éléments sont "activés" pour obtenir une conductivité élevée en appliquant une tension directe entre les régions de type p et de type n34. La fréquence de fonctionnement de l'antenne est reconfigurée en changeant le nombre de cellules à diode pin qui sont polarisées en direct, ce qui nécessite de connecter des lignes de polarisation à chacun des éléments d'antenne avec des inductances d'arrêt et des capacités de découplage. La génération de chaleur dans la diode en raison de la polarisation directe élevée et des interférences de rayonnement avec des éléments métalliques, tels que les lignes de polarisation CC, font partie des inconvénients de cette structure. Dans un autre travail récent sur la réalisation d'une antenne dipôle demi-longueur d'onde accordable en fréquence, l'utilisation d'un réseau de pixels à métal liquide actionnés électriquement a été proposée35.

Dans ce travail, l'accordabilité de la réponse dipolaire est obtenue en faisant varier l'extension des bandes de caoutchouc kirigami qui, recouvertes d'une fine couche métallisée, forment les bras dipolaires. Le dipôle constitué de deux bandes de kirigami entièrement fermées est illustré à la figure 3a avec la configuration de l'échantillon comprenant six cellules unitaires ouvertes dans chacune des deux rangées du motif kirigami. Dans les autres configurations de dipôles d'échantillon qui ont été analysées, le dipôle présente des extensions intermédiaires correspondant à deux et quatre cellules unitaires étirées ouvertes dans les motifs kirigami. Les bandes de kirigami formant les bras dipolaires contiennent un total de neuf cellules unitaires et pourraient donc en principe être étendues à de plus grandes longueurs. Il convient de noter qu'une approche similaire pourrait être appliquée pour réaliser une antenne patch microruban reconfigurable en fréquence en utilisant le motif kirigami en étoile.

(a) Croquis du modèle dipôle réalisé. (b) Exemple de prototype dans la configuration de mesure. ( c ) Coefficient de réflexion simulé et mesuré du dipôle accordable dans les exemples de configurations d'extension variable illustrés dans la sous-figure (a). (d) Comparaison de la plage d'accordabilité simulée et mesurée.

Les dipôles de preuve de concept ont été réalisés en collant simplement une feuille d'aluminium sur la feuille de caoutchouc, puis en coupant à travers la feuille en suivant le motif kirigami imprimé dans la feuille de caoutchouc avec le laser. Un exemple est montré sur la figure 3b, où l'on peut également voir que les dipôles sont directement alimentés par un câble coaxial rigide avec une impédance de 50 ohms.

La réponse des dipôles de l'échantillon a été caractérisée en observant leur coefficient de réflexion Γ mesuré avec un analyseur de réseau vectoriel (VNA). Pour comparer avec les mesures, le coefficient de réflexion des dipôles a également été simulé avec CST Microwave Studio (MWS), où des configurations géométriques idéales, sans aucune déformation dans le motif kirigami que les structures réelles peuvent présenter lorsqu'elles sont étirées, ont été supposées et une courte section d'un câble coaxial de 50 ohms pour alimenter les dipôles ont été inclus dans le modèle. Les coefficients de réflexion simulés et mesurés pour les dipôles dans les quatre configurations d'échantillon sont affichés sur la figure 3c. La gamme de fréquences observée montre la résonance fondamentale (fréquence la plus basse) des dipôles. Les fréquences de résonance déduites des mesures sont en très bon accord avec les données de simulation correspondantes. Certaines oscillations dans les coefficients de réflexion mesurés, qui ne sont pas présentes dans les courbes simulées, peuvent être dues au bruit ou à une imprécision résiduelle dans l'étalonnage du VNA. On peut voir que les fréquences de résonance se déplacent vers le bas tandis que les bandes de kirigami formant les bras dipolaires sont étendues en augmentant le nombre de cellules unitaires ouvertes. Il en résulte que la résonance fondamentale du dipôle peut être accordée d'environ 0,52 à 0,38 GHz, correspondant à une largeur de bande accordable d'environ 30 %, par rapport à la fréquence centrale de la gamme accordable. Pendant ce temps, la bande passante fractionnaire dipolaire ne rétrécit que légèrement. Sur la base de simulations, le diagramme de rayonnement à la résonance (non rapporté car il s'agit du diagramme standard pour les antennes dipôles) reste pratiquement le même pour tous les dipôles considérés. Des simulations de configurations dipôles alternatives ont montré que les positions des cellules unitaires ouvertes le long des bandes de kirigami formant les bras dipolaires n'ont pratiquement aucun effet sur la réponse dipolaire, qui n'est affectée que par le nombre de cellules ouvertes et donc l'extension globale du dipôle. bras.

Les principaux paramètres géométriques et électriques caractérisant l'antenne dipôle à la résonance fondamentale pour un nombre variable de cellules unitaires ouvertes sont résumés dans le tableau 1. La tendance de la fréquence de résonance dipolaire par rapport au nombre de cellules unitaires ouvertes dans chaque rangée des bandes de kirigami, résultant dans les différentes extensions physiques de dipôles présentées dans le tableau 1, est illustré sur la figure 3d, où les résultats de simulation pour quelques configurations de dipôles supplémentaires sont également inclus. Compte tenu de ces données supplémentaires, la bande passante accordable du dipôle atteint environ 35% par rapport à la fréquence centrale de la plage accordable.

Les motifs kirigami périodiques multistables introduits dans ce travail conviennent également à la réalisation de surfaces sélectives en fréquence reconfigurables mécaniquement (FSS). Les FSS peuvent être réalisés en créant une couche électriquement conductrice/métallique sur un côté de la feuille de caoutchouc sur laquelle le motif kirigami est découpé ; une autre option serait de former la structure kirigami avec un matériau à haute permittivité. Dans ce travail, nous nous concentrons sur la première approche. Une fois recouvertes d'une métallisation appropriée, les métasurfaces de kirigami se comporteraient comme des FSS présentant des spectres de transmission et de réflexion spécifiques dans chacun de leurs états stables. La réponse EM des FSS peut donc être reconfigurée par la transformation mécanique des motifs kirigami, à condition que la couche métallisée puisse supporter le processus de déformation (étirement et compression) et que la connectivité des conducteurs soit préservée, notamment à travers les ligaments fins entre les triangles formant le métasurfaces kirigami. Nous avons testé que les deux métasurfaces peuvent être déployées sur une courte période de manière répétitive (Matériaux supplémentaires S2).

En raison de la largeur finie des coupes qui créent les motifs de kirigami, lorsque les FSS sont fermés, ils ne se comportent généralement pas comme un écran conducteur uniforme empêchant tout rayonnement d'être transmis dans le demi-espace au-delà, mais chacun d'eux préfère présenter une réponse de résonance particulière associée à la longueur, la largeur et l'orientation spécifiques des coupes. Cependant, une simple modification des modèles de kirigami originaux peut être conçue pour obtenir une réponse FSS bi-état commutable marche/arrêt, comme cela sera montré dans ce qui suit.

Pour illustrer le concept des FSS kirigami reconfigurables proposés, nous commençons par considérer la métasurface avec la cellule unitaire formée de petits triangles, qui ne peuvent être étirés qu'horizontalement (lt = 12 mm). Comme mentionné ci-dessus, ce motif périodique kirigami peut être facilement transformé en un FSS anisotrope reconfigurable en appliquant une couche conductrice sur le dessus de la feuille de caoutchouc utilisée pour réaliser le motif mécaniquement transformable. Bien que cette structure puisse prendre diverses configurations en fonction du nombre de colonnes déployées, comme on le voit dans l'antenne dipôle accordable, pour l'application FSS, nous nous concentrerons sur ses états complètement fermé et complètement ouvert.

La réponse EM des FSS formées par les métasurfaces kirigami en triangle fermé et ouvert métallisées a été simulée avec CST MWS en utilisant une seule cellule unitaire du motif kirigami avec des conditions aux limites doublement périodiques. Comme nous visons à utiliser la technologie standard des circuits imprimés à faible coût pour valider les simulations, la couche conductrice est supposée être formée d'une feuille de cuivre pur de 0,035 mm d'épaisseur \((\sigma_{Cu} = 5,96 \times 10^{7 } {\text{S/m}})\) placé sur un stratifié RF avec \(\varepsilon_{r} = 4,3\) et \(\tan \delta = 0,025\) (époxy renforcé de verre, FR4 ).

Comme preuve de concept, nous avons développé des versions PCB rigides des états fermés et entièrement ouverts du FSS transformable, qui sont illustrées à la Fig. 4a. Les FSS fabriqués ont été caractérisés en mesurant leurs propriétés de transmission. Une image réelle de la configuration de mesure est illustrée à la Fig. 4b. Les spécimens, tous de dimensions 20 cm × 20 cm, ont été montés dans un cadre métallique placé entre deux cornes large bande, relié à un analyseur de réseau vectoriel (VNA). La diffraction par la fenêtre du cadre a d'abord été calibrée en caractérisant l'appareil sans échantillons. Les réflexions parasites étaient indétectables dans ces tests. La transmittance mesurée, pour les polarisations horizontale et verticale, est superposée aux résultats de simulation correspondants sur les Fig. 4c, d, respectivement. On constate que l'accord entre les mesures et les simulations est bon, notamment autour de la résonance fondamentale du FSS. Il est intéressant de noter que lorsque ce type de kirigami FSS est à l'état fermé, il est sensiblement opaque à un champ incident polarisé verticalement aux fréquences auxquelles la configuration ouverte présente sa résonance de bande passante fondamentale pour la même polarisation, alors que l'inverse se produit pour la polarisation verticale. En particulier, à partir du graphique de la Fig. 4c, on peut voir que le FSS dans son état fermé présente la résonance fondamentale pour une polarisation incidente horizontale, avec une transmission complète, à environ 6 GHz, alors que pour la polarisation verticale, il se comporte sensiblement comme un réflecteur parfait à la même fréquence. D'autre part, lorsque le FSS est déployé dans son état complètement ouvert, les deux polarisations sont réfléchies, car la première résonance pour cette configuration, pour une onde incidente polarisée verticalement, se produit à des fréquences plus élevées et la transmission est négligeable dans la région des basses fréquences. En d'autres termes, la réponse de ce FSS triangulaire à basse fréquence peut être commutée mécaniquement d'une réflexion complète à celle d'un polariseur d'émission.

(a) Spécimens FSS. (b) Configuration de l'expérience. Transmissions mesurées et simulées du triangle kirigami FSS dans ses configurations fermées et entièrement ouvertes à une onde incidente polarisée (c) horizontalement et (d) verticalement. (e) Transmittance mesurée et simulée de l'étoile kirigami FSS dans ses configurations fermées et entièrement ouvertes. (f) Simulation du FSS commutable marche-arrêt obtenu en modifiant le motif en étoile avec l'introduction de petites encoches métalliques ou de minuscules ressorts, comme indiqué dans l'encart de la cellule unitaire, qui agissent comme des courts-circuits des fentes correspondant aux coupes définissant le motif kirigami dans la configuration fermée, alors que leur présence n'a pratiquement aucun effet lorsque le FSS est ouvert.

Le concept des FSS kirigami reconfigurables proposés est illustré plus en détail par l'exemple des FSS réalisés en ajoutant une couche conductrice au-dessus de la métasurface kirigami avec la cellule unitaire formée par une étoile à quatre branches connectée à huit petits triangles. Comme indiqué dans la section "Motif en étoile", lorsque ce motif est tessellé dans le plan, nous nous concentrons spécifiquement sur les réponses des états isotropes ouverts et fermés. Comme pour le triangle kirigami FSS, pour valider la reconfigurabilité de l'étoile FSS, nous avons produit des versions PCB statiques de ces deux configurations stables de kirigami en étoile. Les prototypes de circuits imprimés FSS présentés à la Fig. 4a ont été fabriqués en utilisant des stratifiés FR4 standard de 1 à 6 mm d'épaisseur avec un revêtement en cuivre de 0,035 mm d'épaisseur.

La simulation de ces FSS a de nouveau été menée en recourant à des conditions aux limites doublement périodiques dans CST MWS pour réduire le domaine d'analyse à une seule cellule unitaire du motif kirigami.

Étant donné que les modèles d'étoiles fermées et entièrement ouvertes sont isotropes, seule la transmission à une polarisation incidente doit être examinée. De même, les échantillons de PCB ont été caractérisés en mesurant leur coefficient de transmission à une seule polarisation incidente. Les mesures ont été effectuées dans une chambre anéchoïque avec la même configuration de la figure 4b utilisée pour le triangle kirigami FSS.

Les coefficients de transmission mesurés sont représentés sur la figure 4e superposés aux résultats de simulation correspondants. Comme on le voit, il existe un bon accord entre les mesures et les simulations, à la fois autour de la résonance fondamentale et à des fréquences plus élevées. Lorsque les cellules unitaires kirigami sont fermées, le FSS présente sa résonance de bande passante fondamentale à environ 6,7 GHz, alors que pour le modèle ouvert, la résonance se produit à 7,8 GHz. En d'autres termes, en principe, un décalage de fréquence de 15 % de la réponse de la bande passante fondamentale du FSS peut être obtenu en transformant mécaniquement la structure du kirigami, bien que le changement d'état n'entraîne pas une atténuation substantielle de la transmission aux fréquences de chaque bande passante du FSS. .

Dans l'ensemble, ces mesures d'échantillons réels de FSS de taille finie confirment les prédictions basées sur la simulation des structures périodiques infinies idéales correspondantes, et prouvent que les modèles de kirigami transformables ont le potentiel de permettre une toute nouvelle classe de FSS reconfigurables ne s'appuyant sur aucun composant électronique pour leur opération. Cependant, une mise en œuvre réelle de ce concept nécessiterait que la métallisation soit appliquée directement sur les feuilles de caoutchouc lasérables à partir desquelles les kirigami sont fabriqués à l'aide d'un découpeur laser et que la déformabilité de la structure soit préservée dans le processus.

Comme le montre la figure 4e, lorsque l'étoile kirigami FSS est fermée, elle ne se comporte pas comme un écran conducteur uniforme empêchant le rayonnement d'être transmis dans le demi-espace au-delà, mais elle présente une réponse de résonance associée à la configuration des fentes dans la couche de métal correspondant aux découpes qui créent le motif kirigami.

Une simple modification du motif kirigami de départ d'origine peut être effectuée pour obtenir une réponse FSS bi-état commutable marche/arrêt. L'idée est d'introduire une distribution régulière de petites encoches métalliques le long des bords du motif kirigami, comme le montre la cellule unitaire en étoile modifiée affichée dans l'encart de la figure 4f. A l'état fermé, ces encoches court-circuitent les fentes de l'écran métallique correspondant aux découpes du motif kirigami, tandis que le motif ouvert est peu modifié par leur présence. Les coefficients de transmission et de réflexion simulés du FSS en étoile modifié dans la configuration fermée sont illustrés à la Fig. 4f. Comme on le voit, l'effet des courts-circuits est de déplacer vers le haut en fréquence la résonance fondamentale associée au motif de fentes périodiques à l'état fermé, car les longueurs réelles des différentes fentes sont inférieures à la moitié de celles correspondantes dans l'original. modèle. De cette façon, le niveau de transmission dans la gamme de fréquences d'intérêt est considérablement réduit. Cette approche pourrait en effet être utilisée pour réaliser un FSS commutable mécaniquement à deux états, le FSS étant pratiquement opaque au champ incident à l'état fermé aux fréquences où le motif ouvert présente sa résonance de bande passante.

Une nouvelle classe de métamatériaux électromécaniques inspirés des motifs kirigami transformables a été développée pour de multiples applications électromagnétiques. Les topologies de la structure peuvent être réglées dynamiquement et verrouillées dans plusieurs configurations différentes en raison de sa multi-stabilité. Pour chaque configuration stable, la cellule unitaire des métamatériaux présente différentes propriétés résonnantes, dont nous avons montré qu'elles peuvent être exploitées pour des applications telles que les dipôles accordables et les FSS. Ces deux types de structures nécessitent qu'une couche conductrice électriquement continue soit appliquée sur un côté de la feuille de caoutchouc sur laquelle le motif kirigami est découpé, et que la continuité électrique entre les cellules soit préservée pendant que la structure subit une déformation mécanique pour reconfigurer sa réponse EM . Ceci est très difficile au niveau des ligaments minces qui agissent comme des charnières de flexion entre les éléments formant les motifs kirigami, qui sont pliés et comprimés lors de la transformation.

Pour notre preuve de concept, nous avons développé des versions PCB statiques des FSS transformables dans leurs différentes configurations, tandis que nous avons utilisé une feuille d'aluminium flexible attachée à la feuille de caoutchouc pour les échantillons dipolaires accordables, qui ont cependant tendance à se fissurer après quelques déformations. En pratique, pour le fonctionnement des structures EM inspirées du kirigami proposées, une surface conductrice extensible capable de résister à des allongements et compressions mécaniques répétés serait nécessaire36. Ces dernières années, des progrès significatifs ont été réalisés dans le développement des conducteurs élastiques, qui sont des composants essentiels pour les réseaux de capteurs et d'actionneurs extensibles à grande surface pour les soins de santé, les appareils portables et la robotique. L'une des approches courantes pour réaliser des conducteurs flexibles consiste à mélanger des élastomères avec des nanoparticules métalliques. De nombreux nouveaux nanomatériaux ont été étudiés pour obtenir une flexibilité et de bonnes performances électriques. Les nanomatériaux à base d'argent, y compris les nanoparticules d'argent, les nanofils et les nanoflocons, se sont révélés être des candidats prometteurs pour une utilisation dans les conducteurs extensibles37,38,39. De même, des conducteurs hautement extensibles constitués de nanostructures d'or ont également été signalés40,41. Un résumé plus détaillé des progrès significatifs dans le développement des conducteurs étirables peut être trouvé dans42.

Une autre approche pour réaliser des composants électroniques extensibles consiste à utiliser des îlots de dispositifs actifs rigides et des interconnexions extensibles, comme in43,44. De même, dans nos structures de kirigami, nous pourrions introduire un motif périodique de plaques métalliques rigides déconnectées sur le dessus du substrat en caoutchouc, laissant de petites portions de la surface en caoutchouc autour des charnières de flexion nues, c'est-à-dire sans aucun revêtement métallique, puis connecter le métal isolé patchs en soudant simplement des fils entre eux ou en appliquant d'autres types d'interconnexions flexibles. Les aspects technologiques de la réalisation des dispositifs kirigami reconfigurables EM proposés dépassent le cadre de ce travail et seront abordés dans une future publication.

L'objectif de cet article a été de montrer, à la fois par l'analyse paramétrique et la construction de modèles énergétiques, que nous pouvons programmer les configurations stables des modèles de kirigami développés. La relation entre les paramètres du modèle et les performances électromagnétiques a été étudiée et testée. En utilisant des outils de conception basés sur la cinématique, nous pouvons créer diverses structures de morphing avec une large plage de déformation, et il reste un vaste espace de conception à explorer. En conséquence, la variation de forme des métamatériaux électromécaniques fournit une large plage de réglage pour les propriétés électriques et les réponses EM des antennes, filtres et autres composants accordables, comme l'exigent les prochaines générations de systèmes de communication sans fil, de télédétection et d'électronique portable pour le biomédical. applications.

Toutes les données sont disponibles dans le texte principal ou dans les documents supplémentaires.

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Les auteurs tiennent à remercier Paul Pattinson pour son aide dans la fabrication des prototypes de PCB.

Ce travail a été soutenu en partie par le UK Engineering and Physical Sciences Research Council dans le cadre de la subvention EP/N010493/1 ("Synthesizing 3-D Metamaterials for RF, Microwave and THz Applications"). ZY tient à souligner le soutien de l'Air Force Office of Scientific Research (FA9550-16-1-0339). YY est reconnaissant à l'Université d'Oxford pour la bourse Clarendon.

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Yunfang Yang et Andrea Vallecchi.

Département des sciences de l'ingénieur, Université d'Oxford, Parks Road, Oxford, OX1 3PJ, Royaume-Uni

Yunfang Yang, Andrea Vallecchi, Ekaterina Shamonina, Christopher J. Stevens et Zhong You

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YY a réalisé la conception des modèles de kirigami, fabriqué les prototypes, mené les analyses et les expériences sur leurs performances mécaniques, et rédigé et révisé le manuscrit. AV a proposé et développé les applications des dipôles accordables et des surfaces sélectives en fréquence, effectué les analyses et expériences électromagnétiques, fabriqué les prototypes, et rédigé et révisé le manuscrit. ES a supervisé la recherche et révisé le manuscrit. CJS, ZY a initié et supervisé la recherche, et a révisé le manuscrit.

Correspondance avec Ekaterina Shamonina, Christopher J. Stevens ou Zhong You.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Yang, Y., Vallecchi, A., Shamonina, E. et al. Une nouvelle classe de métamatériaux kirigami transformables pour les systèmes électromagnétiques reconfigurables. Sci Rep 13, 1219 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-27291-8

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Reçu : 09 août 2022

Accepté : 29 décembre 2022

Publié: 21 janvier 2023

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

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