古老的 3D 纸艺术——剪纸，或将重塑现代无线技术

Josiah02

无线技术的未来——从充电设备到增强通信信号——依赖于传输电磁波的天线变得越来越多功能、耐用和易于制造。德雷塞尔大学和不列颠哥伦比亚大学的研究人员认为，剪纸——一种古老的日本艺术，通过剪纸和折叠纸张来创造复杂的三维设计，可以为制造下一代天线提供一种模式。
德雷塞尔大学-不列颠哥伦比亚大学团队最近在《自然通讯》杂志上发表的一项研究表明，剪纸技术（一种折纸技术）可以将一张涂有导电 MXene 墨水的醋酸纤维板转变为柔性的 3D 微波天线，只需拉伸或挤压即可稍微改变其形状，从而调整其传输频率。
研究人员表示，这一概念验证意义重大，因为它代表了一种快速且经济高效地制造天线的新方法，只需将水性 MXene 墨水涂覆到透明弹性聚合物基底材料上即可。
“为了让无线技术支持软机器人和航空航天等领域的进步，天线的设计需要具有可调性能和易于制造的特点，”德雷塞尔大学工程学院杰出大学和巴赫教授、这项研究的合著者 Yury Gogotsi 博士说。“剪纸是制造过程的自然模型，因为它可以用一块二维材料简单地创建复杂的三维形状。”
标准微波天线可通过电子方式或改变其物理形状进行重新配置。然而，增加必要的电路来电子控制天线会增加其复杂性，使天线体积更大、更容易发生故障且制造成本更高。
相比之下，此次联合工作中展示的工艺利用了物理形状变化，可以制造出各种复杂形状和形式的天线。这些天线灵活、轻便且耐用，这是它们在可移动机器人和航空航天部件上的生存能力的关键因素。
为了制作测试天线，研究人员首先在醋酸纤维片上涂上一种特殊的导电油墨，这种油墨由碳化钛 MXene 组成，以创建频率选择性图案。MXene 油墨在这种应用中特别有用，因为它的化学成分使其能够牢固地粘附在基板上，从而形成耐用的天线，并且可以调整以重新配置天线的传输规格。
MXenes 是德雷塞尔大学研究人员于 2011 年发现的一类二维纳米材料，其物理和电化学性质可以通过稍微改变其化学成分来调整。过去十年来，MXenes 已广泛应用于需要具有精确物理化学行为的材料的应用，例如电磁屏蔽、生物过滤和储能。
由于它们具有传输无线电波的效率，并且能够调整以选择性地阻止和允许电磁波的传输，因此多年来它们也被用于电信应用。
研究人员利用最初在公元 4 至 5 世纪在日本开发的剪纸技术，在 MXene 涂层表面上进行了一系列平行切割。拉动薄片的边缘会触发一个方形谐振器天线阵列从其二维表面弹出。改变张力会导致阵列的角度发生变化 - 这项功能可用于快速调整天线的通信配置。
研究人员组装了两个剪纸天线阵列进行测试。他们还创建了一个共面谐振器原型（一种用于传感器的组件，可自然产生特定频率的波），以展示该方法的多功能性。据该团队称，除了通信应用外，谐振器和可重构天线还可用于应变传感。
“频率选择性表面，就像这些天线一样，是一种周期性结构，可以选择性地传输、反射或吸收特定频率的电磁波，”首席研究主席、不列颠哥伦比亚大学副教授穆罕默德·扎里菲 (Mohammad Zarifi) 说，他参与领导了这项研究。
“它们具有主动和/或被动结构，常用于天线、机鼻雷达罩和反射器等应用，以控制5G 及更高平台无线通信中的波传播方向。”
剪纸天线被证明能够有效传输三种常用微波频段的信号：2-4 GHz、4-8 GHz 和 8-12 GHz。此外，该团队还发现，改变基板的几何形状和方向可以改变每个谐振器发出的波的方向。
在应变条件下，谐振器的形状发生变形，由此产生的频率偏移了 400 MHz，这表明它可以有效地用作应变传感器，用于监测基础设施和建筑物的状况。
研究团队表示，这些发现是将组件集成到相关结构和无线设备上的第一步。受剪纸艺术的多种形式的启发，该团队现在将通过探索新的形状、基底和运动来优化天线的性能。
“我们的目标是通过将多功能 MXene 纳米材料与剪纸艺术设计相结合，同时提高天线性能的可调性，并为新微波元件创建一种简单的制造工艺，”不列颠哥伦比亚大学的 Omid Niksan 博士说道，他是该论文的作者之一。“这项研究的下一阶段将探索天线的新材料和几何形状。”