可重構(gòu)功能器件由于可在不同的工作模式間切換以適應(yīng)多種需要，目前已經(jīng)應(yīng)用在信號(hào)傳輸、能量收集、生物信息采集等諸多領(lǐng)域。力學(xué)加載控制的幾何可重構(gòu)方法能夠規(guī)避傳統(tǒng)電路開(kāi)關(guān)式可重構(gòu)方法在功耗、噪聲方面的問(wèn)題，同時(shí)適用于廣泛的高性能材料和較寬的特征尺度范圍，因此在多種復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景下具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

最近，清華大學(xué)航天航空學(xué)院張一慧課題組在Science Advances上發(fā)表了題為“Geometrically reconfigurable 3D mesostructures and?electromagnetic devices through a?rational bottom-up design strategy”的研究論文，提出了一種自下而上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何可重構(gòu)微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)策略，實(shí)現(xiàn)了多種基于該策略的高性能可重構(gòu)微電磁器件。

2018年，張一慧課題組曾在Nature Materials合作發(fā)表研究論文 “Morphable 3D mesostructures and microelectronic devices by multistable buckling mechanics” (2018, 17: 268-276)，報(bào)道了一種利用非線性屈曲力學(xué)實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)細(xì)微結(jié)構(gòu)及器件的新方法。由于缺乏對(duì)其力學(xué)機(jī)理的深入探究，已有研究中給出的結(jié)構(gòu)形式較為單一，難以實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜多功能結(jié)構(gòu)的自下而上設(shè)計(jì)。

本論文中提出了矢量調(diào)控超彈性基底加載的方案，更全面地利用了基底的應(yīng)變空間，從而為相關(guān)力學(xué)機(jī)理的探明和自下而上的復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了途徑。一個(gè)典型的案例如圖1所示，將由平面制造工藝（如光刻技術(shù)，激光切割技術(shù)等）得到的二維結(jié)構(gòu)選擇性地與預(yù)拉伸的超彈性基底粘接，通過(guò)改變基底預(yù)應(yīng)變的釋放方向，基底預(yù)應(yīng)變?nèi)酷尫藕罂梢缘玫讲煌娜S構(gòu)型。由于基底再次拉伸后可以將三維結(jié)構(gòu)恢復(fù)為二維平面結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)在整個(gè)變形過(guò)程中不會(huì)進(jìn)入塑性，因此整個(gè)過(guò)程是可逆的，進(jìn)而得以實(shí)現(xiàn)幾何構(gòu)型的重構(gòu)，其中三維構(gòu)型與釋放方向的關(guān)系如圖1右下的相圖表示。

圖1：矢量調(diào)控實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)幾何可重構(gòu)的概念示意圖。 對(duì)于上述的力學(xué)引導(dǎo)幾何可重構(gòu)結(jié)構(gòu)，其不同三維構(gòu)型間具有直接的聯(lián)系，不同加載方向會(huì)形成不同的初始幾何缺陷，并誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)在后續(xù)變形中產(chǎn)生較大的差異。以圖2所示的圓環(huán)形條帶結(jié)構(gòu)這樣一種幾何上最為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)為例，通過(guò)在數(shù)值模擬中不考慮基底的接觸作用，觀察結(jié)構(gòu)發(fā)生的自由屈曲變形可以發(fā)現(xiàn)，最終不同的三維構(gòu)型實(shí)際上是關(guān)于基底平面的鏡像。而如果進(jìn)一步地將基底的接觸作用以抬升的方式引入，則可以得到與實(shí)際情況相同的三維構(gòu)型。以上的現(xiàn)象揭示了基底接觸作用帶來(lái)的對(duì)稱(chēng)性破缺是結(jié)構(gòu)可重構(gòu)性的關(guān)鍵來(lái)源。

圖2：力學(xué)機(jī)理：基底接觸作用帶來(lái)的對(duì)稱(chēng)性破缺是結(jié)構(gòu)可重構(gòu)性的來(lái)源。比例尺，2mm。

除了如圖2所示的圓環(huán)形條帶結(jié)構(gòu)外，張一慧課題組還發(fā)現(xiàn)了圖3中包括對(duì)稱(chēng)橢圓結(jié)構(gòu)，圓弧-相切直線組合結(jié)構(gòu)，半橢圓弧-直線組合結(jié)構(gòu)以及雙相切圓弧等一系列具有簡(jiǎn)單幾何構(gòu)型的可重構(gòu)單胞，這些單胞相比于圓弧形條帶結(jié)構(gòu)具備更強(qiáng)的可重構(gòu)性以及更大的構(gòu)型間差異，通過(guò)引入參數(shù)K可定量地表征可重構(gòu)性的強(qiáng)弱，可以得到如圖3E所示的可重構(gòu)性與幾何參數(shù)的關(guān)系，更好地指導(dǎo)后續(xù)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

圖3：其他可重構(gòu)單胞的設(shè)計(jì)與可重構(gòu)性的分析。A,C,D圖分別為對(duì)稱(chēng)橢圓結(jié)構(gòu)，圓弧-相切直線組合結(jié)構(gòu)以及雙相切圓弧在幾何參數(shù)空間上可重構(gòu)性的分析，B圖為A圖中典型參數(shù)組合下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。E圖為對(duì)稱(chēng)半橢圓與直線相切結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)性分析，其中越深的顏色代表該參數(shù)組合的可重構(gòu)能力越強(qiáng)，F(xiàn)圖為E圖中典型參數(shù)組合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與對(duì)應(yīng)的相圖。比例尺，2mm。 基于上述的可重構(gòu)單胞和相應(yīng)的構(gòu)型-釋放角的關(guān)系相圖，可以非常簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)如圖4所示自下而上的復(fù)雜可重構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。依據(jù)單胞在組合結(jié)構(gòu)內(nèi)的角度與位置關(guān)系，可以由單胞的構(gòu)型-釋放角的關(guān)系相圖直接地得到組合結(jié)構(gòu)的構(gòu)型-釋放角關(guān)系相圖，這樣的過(guò)程得到了數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。通過(guò)合理地設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)內(nèi)單胞的類(lèi)型與角度關(guān)系，可以非常容易地得到具有多個(gè)不同三維構(gòu)型的可重構(gòu)幾何。

圖4：由簡(jiǎn)單可重構(gòu)單胞到復(fù)雜可重構(gòu)結(jié)構(gòu)的自下而上設(shè)計(jì)。比例尺：2mm。

基于上述的可重構(gòu)單胞的力學(xué)特性，本論文將線圈布置在結(jié)構(gòu)中的合理位置，實(shí)現(xiàn)了如圖5所示，具備兩種不同工作模式的可重構(gòu)線圈，通過(guò)調(diào)控線圈與布置在下方主線圈的距離，可以對(duì)電路中感應(yīng)電壓的大小進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)線路中LED的明暗關(guān)系進(jìn)行調(diào)節(jié)。而依據(jù)構(gòu)型-釋放角度關(guān)系相圖，可以將多個(gè)線圈天線布置為整體的可重構(gòu)線圈天線陣列，并實(shí)現(xiàn)10種不同的工作模式，包括典型的“T”，“H”和 “U”三種工作模式。圖6則展示了一種具備多種不同輻射性能的可重構(gòu)天線，通過(guò)將可重構(gòu)天線單元合理地布置在平面上，可以得到一個(gè)具有9種不同方向的可重構(gòu)天線，其工作頻率在不同構(gòu)型下都穩(wěn)定在4.5GHz附近。

圖5：A,B圖為基于可重構(gòu)幾何設(shè)計(jì)的單個(gè)可重構(gòu)線圈天線平面構(gòu)型和兩種不同的三維構(gòu)型，C圖為單個(gè)天線不同幾何構(gòu)型下線圈內(nèi)感應(yīng)電壓的比較；D,E圖為將單個(gè)天線布置為陣列的俯視圖和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，F(xiàn)圖為陣列的構(gòu)型-釋放角關(guān)系相圖；G,H和I圖為線圈天線陣列在三種典型工作模式“T”,“H”和“U”下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。比例尺，2 mm。

圖6：A，B圖為可重構(gòu)方向圖天線的示意圖與實(shí)物圖；C，D圖代表不同構(gòu)型下天線回波損耗的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果；E圖為天線的四種不同構(gòu)型，F(xiàn)圖為這四種構(gòu)型下天線H面上輻射增益的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。比例尺：2 cm。 清華大學(xué)航院張一慧教授為本論文通訊作者。清華大學(xué)航院2016級(jí)博士生白柯為本文的第一作者，清華大學(xué)航院2017級(jí)博士生程旭，以及博士后薛兆國(guó)、宋洪烈和張帆為本文的共同作者。主要合作單位為合肥工業(yè)大學(xué)黃文教授課題組。該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、霍英東教育基金會(huì)高等院校青年教師基金項(xiàng)目、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃和清華信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的支持。