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Dec 29, 2023

Eine neue Klasse transformierbarer Kirigami-Metamaterialien für rekonfigurierbare elektromagnetische Systeme

Wissenschaftliche Berichte Band 13,

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 1219 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die rasante Entwicklung von Hochfrequenzkomponenten (RF) erfordert intelligente multifunktionale Materialien, die ihre physikalischen Formen und Eigenschaften an die Umgebung anpassen können. Während die meisten aktuellen rekonfigurierbaren Systeme eine begrenzte Flexibilität bei hohen Herstellungskosten bieten, schlägt diese Forschung vor, die transformierbaren Eigenschaften von Kirigami-inspirierten multistabilen mechanischen Metaoberflächen zu nutzen, die sich wiederholt verformen und in verschiedene Konfigurationen verriegeln können, um eine neuartige Klasse kostengünstiger rekonfigurierbarer elektromagnetischer Strukturen zu realisieren ein großer Gestaltungsraum. Die Metaoberflächen werden durch den Entwurf kinematischer Elementarzellen mit metallisierter Beschichtung gebildet, die einstellbare resonante elektromagnetische (EM) Eigenschaften bieten können, während sie sich relativ zueinander drehen. Indem wir die Schnittlänge und Geometrieparameter der Muster anpassen, demonstrieren wir die Programmierung der Topologien und Formen verschiedener Konfigurationen. Der Einfluss kritischer Parameter auf die strukturelle Multistabilität wird anhand eines vereinfachten Energiemodells und Finite-Elemente-Simulationen veranschaulicht. Als Beispiele für rekonfigurierbare elektromagnetische Geräte, die realisiert werden können, berichten wir über die Entwicklung eines abstimmbaren Halbwellendipols und zweier frequenzselektiver Oberflächendesigns (FSS) mit isotropen und anisotropen Reaktionen. Während der Kirigami-Dipol durch mechanisches Strecken seiner Arme abgestimmt werden kann, weisen die FSSs in jedem der stabilen Zustände des Kirigami-Musters unterschiedliche Transmissions- und Reflexionsspektren auf. Die Funktionalität dieser Kirigami-Geräte wird sowohl durch Vollwellen-EM-Simulationen als auch durch Experimente validiert. Die vorgeschlagenen transformierbaren Strukturen können mechanisch betätigt werden, um die EM-Reaktion in der Frequenz abzustimmen oder Anisotropien für die Wellenausbreitung zu induzieren.

Die Ausweitung der drahtlosen Kommunikation und die zunehmende Vielfalt fortschrittlicher drahtloser Dienste haben zu einer wachsenden Nachfrage nach rekonfigurierbaren elektromagnetischen (EM) Systemen geführt, die eine nahtlose Benutzermobilität über verschiedene drahtlose Zugangstechnologien hinweg unterstützen können. Zu den Schlüsselkomponenten für den Entwurf von Multistandard-Sender- und Empfängerarchitekturen gehören abstimmbare Antennen und rekonfigurierbare frequenzselektive Oberflächen (FSS). Bei den meisten abstimmbaren Antennen- und FSS-Designs wird die Rekonfigurierbarkeit durch Ändern der Strommuster in der Antenne oder Elementarzelle von FSSs mithilfe von Schaltern wie Pin-Dioden und mikroelektromechanischen Schaltern (MEMSs) oder durch Laden der Strukturen mit Varaktordioden erreicht, die Folgendes ermöglichen eine variable spannungsgesteuerte Kapazität1,2,3,4. Allerdings erhöhen die für die Ansteuerung dieser aktiven Komponenten erforderlichen Vorspannungs- und Steuerschaltungen die Komplexität des Systems und können die Quelle von Interferenzen und Reflexionen sein. Darüber hinaus führen sie zu zusätzlichen Leitungsverlusten und tragen so zur Verringerung der Gesamtleistung bei, insbesondere bei hohen Frequenzen .

Kürzlich wurden neue Ansätze zur Abstimmung der Reaktion elektromagnetischer Komponenten auf der Grundlage mechanischer Transformation vorgeschlagen. Bei dem in 5 entwickelten FSS, das aus Keramikresonatoren mit unterschiedlichen Bandstoppreaktionen bei frontalem und seitlichem Einfall besteht, kann die Reaktion zwischen zwei benachbarten Stoppbändern durch einfaches mechanisches Ändern der Ausrichtung der Keramikresonatoren neu konfiguriert werden. Besonders interessant ist eine Familie mechanischer Metamaterialien, die das Formänderungsverhalten nutzen können, um ihre mechanischen und dielektrischen Eigenschaften abzustimmen6,7,8,9. Mechanische Metamaterialien mit überlegener struktureller Flexibilität können einen geringen elektromagnetischen Verlust für Millimeterwellen aufweisen und erfordern gleichzeitig vergleichsweise niedrige Herstellungskosten; Dies macht sie zu attraktiven Kandidaten für die Realisierung rekonfigurierbarer elektromagnetischer Komponenten, die für viele Sektoren von entscheidender Bedeutung sind, beispielsweise für die nächsten Generationen drahtloser Kommunikationssysteme, 5G und darüber hinaus, und die Multimode- und Multibandanwendungen unterstützen10,11,12 und somit Es sind rekonfigurierbare Multifunktionsantennen erforderlich, um mehrere veraltete Einzelfunktionsantennen zu ersetzen13,14,15,16. Rekonfigurierbare Sensoren für die zerstörungsfreie Fernextraktion und Überwachung verschiedener Größen wie Dehnung, dielektrisches Material und Flüssigkeitseigenschaften17,18 sowie tragbare Elektronik19, bei denen Umformfähigkeiten die Anpassungsfähigkeit und Compliance der elektronischen Plattform an den menschlichen Körper erhöhen und somit von entscheidender Bedeutung sein können für biomedizinische Technologien20,21.

Im Allgemeinen kann die mechanische Rekonfiguration einige Vorteile in Bezug auf elektronische Komponenten haben. Beispielsweise wären keine hohen Vorspannungen und somit keine Vorspannungssteuerschaltungen erforderlich, die das System komplexer und verlustreicher machen könnten. Darüber hinaus gibt es in mechanischen Metamaterialien aufgrund der Nichtlinearität aktiver Geräte keine störenden Frequenzkomponenten und sie eignen sich für Hochleistungsanwendungen, da kein Risiko eines elektrischen Durchschlags besteht. Andererseits ist in der Regel die Verwendung abstimmbarer Materialien wie Ferroelektrika, Ferrite und Flüssigkristalle erforderlich, deren elektrische Eigenschaften durch Anlegen einer externen Vorspannung (z. B. Wärme, elektrisches oder magnetisches Feld, optische Strahlung usw.) gesteuert werden können hohe Vorspannungen oder einen hohen Gleichstromverbrauch und zeigen eine unerwünschte Empfindlichkeit gegenüber thermischen Schwankungen. Ein möglicher Nachteil besteht darin, dass mechanisch rekonfigurierbare HF-Geräte tendenziell eine relativ langsamere Abstimmungsreaktion aufweisen, die jedoch durch die Verwendung geeigneter Materialien und Herstellungsmethoden sowie spezifischer Implementierungen des erforderlichen externen mechanischen Aktuators verbessert werden kann, um eine schnellere Bereitstellung zu erreichen. Umfassende Übersichten über die Anwendungen verschiedener Abstimmungstechniken, einschließlich mechanischer Betätigung, abstimmbarer Materialien und integrierter elektronischer Geräte, mit Vor- und Nachteilen finden sich in22,23, insbesondere mit Bezug auf Metaoberflächen.

Diese Forschung zielt darauf ab, die transformierbaren Eigenschaften mechanischer Metamaterialien zu nutzen, um eine neuartige Klasse rekonfigurierbarer elektromagnetischer Geräte zu entwickeln. Indem wir kinematisch basierte Elementarzellen entwerfen, die sich relativ zueinander drehen können, und jede Einheit mit metallisierten Elementen ausstatten, um einstellbare resonante elektromagnetische Eigenschaften bereitzustellen, sind wir in der Lage, die transformierbare Struktur mechanisch zu betätigen, um die EM-Reaktion in der Frequenz abzustimmen oder Anisotropien für Wellen zu induzieren Vermehrung.

Origami-basierte Strukturen wurden zuvor als Lösung für die Erstellung einsetzbarer, kontinuierlich abstimmbarer FSSs vorgeschlagen, bei denen ein Origami-Muster die Änderung der Gesamtform der Struktur ermöglicht, die die gewünschte Rekonfigurierbarkeit bietet24,25,26; Die Verformung von Origami-Strukturen außerhalb der Ebene erschwert jedoch deren Anwendung in kompakt konstruierten planaren Komponenten. Planare auxetische Strukturen mit knickinduzierten Elementen wurden auch für Anwendungen der elektromagnetischen Verträglichkeit vorgeschlagen27,28. Diese kinematischen Mechanismen weisen normalerweise eine kontinuierliche kleine Verformung auf; Daher benötigen sie eine präzise Steuerung, um sie in den spezifischen Konfigurationen einzusetzen, die den gewünschten variablen Frequenzgang bieten. Das Erreichen eines robusten und stabilen Wechsels zwischen mehreren Konfigurationen ist eine große Herausforderung und erfordert in der Regel die Aufrechterhaltung eines vorgespannten Zustands in der Struktur29. Um dieses Problem anzugehen, entwickeln wir eine multistabile Struktur, die sich wiederholt in mehreren Konfigurationen mit unterschiedlichen EM-Reaktionen verriegeln kann. Multistabile Strukturen haben mehrere Gleichgewichtszustände, in denen die potentielle Energie lokale Minima erreicht, sodass die Struktur automatisch dazu neigt, in diesen Konfigurationen zu bleiben, was ihnen einen erheblichen Vorteil gegenüber kontinuierlich beweglichen Strukturen für schaltbare Materialien verschafft30,31.

Die multistabilen Designs, die wir in dieser Arbeit entwickelt haben, sind von Kirigami Art32 inspiriert. Durch die Abstimmung der Schnittlänge und Geometrieparameter der Muster demonstrieren wir die Programmierung der Topologien und Formen verschiedener Konfigurationen. Sowohl Ergebnisse basierend auf einem vereinfachten Energiemodell als auch Finite-Elemente-Simulationen werden vorgestellt, um den Einfluss kritischer Parameter auf die strukturelle Bistabilität zu veranschaulichen. Wir zeigen, dass diese Strukturen genutzt werden können, um eine Vielzahl rekonfigurierbarer elektromagnetischer Geräte zu realisieren. Insbesondere konzentrieren wir uns auf die Entwicklung eines abstimmbaren Halbwellendipols und zweier FSS-Designs, von denen eines eine isotrope Reaktion aufweist, während das andere anisotrop ist. Sowohl der Dipol als auch die FSSs können realisiert werden, indem auf einer Seite der Gummiplatte, auf die das Kirigami-Muster geschnitten wird, eine elektrisch leitende/metallische Schicht erzeugt wird; Eine andere Möglichkeit wäre, die Kirigami-Struktur mit einem Material mit hoher Permittivität zu bilden, aber in dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf den ersteren Ansatz. Sobald sie mit einer geeigneten Metallisierung bedeckt sind, kann die Reaktion des Kirigami-Dipols durch mechanisches Strecken seiner Arme eingestellt werden, während sich die Kirigami-Metaoberflächen wie FSSs verhalten würden, die in jedem ihrer stabilen Zustände spezifische Transmissions- und Reflexionsspektren aufweisen.

Die Arbeit hat folgenden Aufbau. Im Abschnitt „Ergebnisse“ werden die Simulationen und Experimente vorgestellt, die zur Validierung der Funktionalität der vorgeschlagenen Kirigami-Geräte durchgeführt wurden. Im Abschnitt „Diskussion und Schlussfolgerungen“ wird der Herstellungsansatz diskutiert und die abschließenden Bemerkungen gezogen, während Einzelheiten der strukturellen Energieanalyse an den Abschnitt „Ergänzende Materialien“ delegiert werden.

Wir konzentrieren uns auf Kirigami-Muster, die folgende Merkmale aufweisen: (1) Der geschlossene Zustand des Metamaterials weist keine Hohlräume auf, um einen leitfähigen Schirm nachzuahmen. (2) die stabilen Zustände der Metamaterialien sind planare Strukturen, die sich wie planare frequenzselektive Oberflächen verhalten; (3) Das Metamaterial weist ein bistabiles Verhalten auf, sodass es verschiedene stabile Zustände einnehmen kann. Auf diesem Weg lassen wir uns von geometrischen Kirigami-Motiven und dem Design bistabiler Strukturen inspirieren. Wir konzentrieren uns insbesondere auf zwei Designs: ein Dreiecksmuster, das sich in eine Richtung verlängern lässt, und ein Sternmuster, das sich orthotopisch entfalten kann. Durch Drehen des dreieckigen Elements in den Elementarzellen kann sich das Muster in mehrere Konfigurationen ausdehnen und die Verformung beibehalten, nachdem die Last nachgelassen hat.

Wie in Abb. 1a dargestellt, besteht die Einheit des Dreiecksschnittmusters aus acht Dreiecken, die an ihren Spitzen über dünne Bänder miteinander verbunden sind. Wenn die Einheit horizontal gedehnt wird, wirken die dünnen Bänder als Biegescharniere und die Dreiecke können sich um die Verbindungsscheitelpunkte in Bezug auf die angrenzenden Dreiecke drehen. Dieser Einsatz erzeugt drei viereckige Hohlräume innerhalb der Elementarzelle. Wenn die Elementarzelle auf eine bestimmte Konfiguration gestreckt wird, kann sie in einem offenen Zustand verriegelt werden. Um die Elementarzelle wieder in ihre ursprüngliche Konfiguration zu versetzen, müssen zwei Druckkräfte auf die Elementarzelle ausgeübt werden, damit sie wieder in den geschlossenen Zustand zurückschnappt. Durch Tessellation der Elementarzelle sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung entsteht eine Metaoberfläche. Abbildung 1b zeigt ein Beispiel bestehend aus 2 × 3 Elementarzellen. Bei gleichmäßiger horizontaler Dehnung oder Kompression weisen die Elementarzellen in derselben Spalte äquivalente Bewegungen auf, da ihre Breite durch die angrenzenden oberen und unteren Einheiten eingeschränkt wird. Andererseits können die Elementarzellen in jeder Reihe unterschiedliche Konfigurationen einnehmen, was zu einer multistabilen Funktion führt (Film M1). Auf diese Weise können wir Metaoberflächen mit unterschiedlichen Topologien generieren, indem wir bestimmte Spalten derselben Struktur bereitstellen (Film M2). Abbildung 1c zeigt ein Metamaterial desselben Musters, das durch Lasergravieren einer Gummiplatte im geöffneten und geschlossenen Zustand hergestellt wurde, der denen in Abb. 1b entspricht.

Design der Metamaterialstruktur. Designparameter der Einheit mit (a) Dreiecksmuster und (d) Sternmuster. Die geschlossenen und offenen Zustände des mosaikierten (b) dreieckigen Metamaterials und (e) des Sternmetamaterials. Foto der lasergravierten Probe mit (c) dreieckigem und (d) sternförmigem Muster im geschlossenen und geöffneten Zustand. Die Länge der Maßstabsleiste beträgt 1 cm.

Die Verformung des Metamaterials kann als eine Ansammlung planarer Mechanismen modelliert werden. Wenn wir davon ausgehen, dass die Dicke der Biegegelenke Null ist, d. h. die Dreiecke eine ideale Verbindung von Scheitelpunkt zu Scheitelpunkt haben, kann die Transformation der Struktur als mechanische Bewegung betrachtet werden, bei der alle Dreiecksteile starre Körper sind (Ergänzungsmaterialien S2) . Beim realen Materialverformungsprozess weist die Struktur jedoch keine perfekten Scharniere an den Eckpunkten auf. Stattdessen werden die Festkörpergelenke während der Transformation gebogen und entspannt, was zu einer Änderung der elastischen Dehnungsenergie führt. Dies führt zu mehreren stabilen Zuständen vom geschlossenen Zustand bis zum vollständig geöffneten Zustand. Mit anderen Worten: Das Metasheet ist in der Lage, eine Reihe deformierter Formen beizubehalten, selbst wenn die Last entfernt wird.

Während sich das bisherige Dreiecksmuster in eine Richtung ausdehnen kann, entwickeln wir ein Sternmuster weiter, das sich isotrop entfalten kann. Wie in Abb. 1d dargestellt, besteht die Elementarzelle aus acht kleinen Dreiecken, die durch einen vierzackigen Stern verbunden sind. Kinematisch ist die Struktur nicht in der Lage, sich zu entfalten, wenn keine Verformung im Stern und in den Dreiecken zulässig ist. Wenn jedoch die Abmessungen dünner Bänder sorgfältig angepasst werden, kann die Elementarzelle durch einen Snap-Through-Prozess transformiert werden. Ein Viertel der Elementarzelle ähnelt der Verbindungsanordnung des Dreiecksmusters: Während der Verformung schränkt der Stern den Abstand zwischen einem Paar dieser Dreiecke ein, so dass die beiden kleinen Dreiecke das Mittelband stark zusammendrücken würden, um sich nach außen zu drehen, was dazu führt ein Snap-Through-Verhalten. Wenn wir ein 3 × 3-Metablatt gleichmäßig entlang seiner vier Ecken strecken, schnappt es in ein isotropes offenes Muster ein, wie in Abb. 1e (Film M1) gezeigt. Wenn die Kraft entlang einer der diagonalen Richtungen ausgeübt wird, bildet die Struktur eine halboffene Rautenform, bei der sich nur zwei Dreieckspaare öffnen, wie in den Zusatzmaterialien S2 gezeigt. Während der halboffene Zustand des Sternmusters eine anisotrope Reaktion mit unterschiedlicher Durchlässigkeit je nach Polarisation der einfallenden Welle aufweist, sind die geschlossenen und offenen Muster aufgrund der vier Linien- und vierzähligen Rotationssymmetrie ihrer Elementarzellen im Wesentlichen isotrop. In dieser Forschung konzentrieren wir uns insbesondere auf die Reaktionen der letztgenannten isotropen Zustände.

Bei der Mosaikbildung in der Ebene ist die Geometrie der Elementarzelle in zwei Richtungen mit ihren Nachbarn gekoppelt, sodass die Anzahl der stabilen Zustände unabhängig von der Anzahl der Elementarzellen gleich bleibt. Film M2 demonstriert den Rekonfigurationsprozess der Sternenmetaoberfläche. Die Struktur ist nur im geschlossenen und offenen Zustand geometrisch kompatibel. Abbildung 1f zeigt den lasergeschnittenen Prototyp eines Sternmetablatts mit 3 × 3 Einheiten. Beachten Sie, dass es im Video zu einer Verformung außerhalb der Ebene kommen kann, wenn die Struktur aus einer ziemlich dünnen Gummiplatte geschnitten wurde.

Eine nichtlineare Finite-Elemente-Analyse (FE) wurde durchgeführt, um die Bistabilität der Struktur zu untersuchen. Die Simulation wurde mit dem ABAQUS Standard Implicit Dynamics Solver mit moderater Dissipation durchgeführt, der die Konvergenz verbessert, wenn Selbstkontakt vorhanden ist. Wir verwenden die Neo-Hooke-Methode für die hyperelastischen Eigenschaften von Gummiplatten und berücksichtigen die geometrischen Nichtlinearitäten. Die Modelle wurden mit CPS8R und CPS6 diskretisiert. Für Einzelzellenmodelle wurden periodische Randbedingungen angewendet. Dem Modell mit hartem Kontakt für normales Verhalten wurde ein vereinfachtes Kontaktgesetz zugewiesen. Mithilfe der Python-Skriptschnittstelle von ABAQUS wurde ein parametrisches Modell erstellt, um die Rolle verschiedener geometrischer Parameter auf die Reaktion der entworfenen mechanischen Metamaterialien weiter zu untersuchen. Für das dreieckige Muster betragen sowohl die Länge als auch die Breite der Elementarzelle lt = 16 mm, ihre Dicke beträgt 2,3 mm, die Breite des Schnitts beträgt 0,2 mm und α = π/4. Wie bereits erwähnt, wird die Multistabilität der Struktur hauptsächlich durch die Elastizität der Festkörpergelenke erreicht, die stark von der Abmessung t dieser Gelenke abhängt. Um die Faktoren zu validieren, die die Bistabilität beeinflussen, haben wir die Reaktion einer Elementarzelle bei einachsiger Längenänderung in horizontaler Richtung (Verschiebungsbelastung) simuliert und gleichzeitig deren Reaktionskraft F und technische Dehnung e verfolgt, definiert als Längenänderung über die ursprüngliche Länge von die Elementarzelle. Es wurden drei Fälle mit t/lt = 0,031, 0,034 bzw. 0,038 berücksichtigt. Wie in Abb. 2a dargestellt, ist die Kraft-Dehnungs-Kurve stark nichtlinear und die Reaktionskraft fällt unter Null und kehrt dann zu positiven Werten zurück, wenn t/lt = 0,031 und 0,034. Dieses Phänomen weist darauf hin, dass es eine Reihe stabiler Positionen gibt, die die Struktur ohne Dehnungskraft einnehmen könnte. Wenn t/lt = 0,038, liegt F immer über Null, was darauf hinweist, dass die mittlere stabile Position nicht existiert. Daher kann die Abstimmung von t die stabilen Positionen der Struktur programmieren. Darüber hinaus gilt: Je größer t ist, desto höher ist die Dehnkraft, die zum Entfalten der Folie erforderlich ist. Die Verteilung der von Mises-Spannung einer Elementarzelle mit t/lt = 0,034 in Abb. 2b zeigt, dass die hohe Spannung hauptsächlich an den Scharnieren lokalisiert ist und der Rest der Struktur nahezu vernachlässigbare Verformungen aufweist, was mit der Annahme übereinstimmt, dass Die dreieckigen Stücke können kinematisch als starre Körper behandelt werden. Für den gravierbaren Gummiprototyp wurde t zu t = 0,55 mm (t/lt = 0,034) gewählt.

Bistabilitätsanalyse. (a,b) Finite-Elemente-Simulationen des Dreiecksmusters. (c,d) Die Finite-Elemente-Simulationen des Sternmusters.

Um das bistabile Verhalten beider Schnittmuster im Detail weiter zu optimieren, haben wir ein vereinfachtes elastisches Energiemodell beider Strukturen erstellt. Diese parametrische Analyse wird in den Zusatzmaterialien S2 bereitgestellt. Das Energiemodell zeigt, dass unterschiedliche Scharnierdimensionen unterschiedliche Auswirkungen auf die Bistabilität des Metamaterials haben.

Das Sternmodell wird mit der gleichen Methode analysiert. Sowohl die Länge als auch die Breite der Elementarzelle betragen ls = 14 mm und β = 24°. Wir setzen die Scharnierabmessung auf s und setzen s/ls = 0,028, 0,039 und 0,050. Wir haben die Reaktion einer Sternelementarzelle unter gleichmäßiger horizontaler und vertikaler Verschiebungsbelastung an den vier Ecken der Elementarzelle simuliert und deren Reaktionskraft F und technische Dehnung e verfolgt. Wie in Abb. 2c dargestellt, fällt die Reaktionskraft unter Null und kehrt dann für s/ls = 0,028 und 0,039 zu positiven Werten zurück. Der Einsatz jedes Dreieckspaares ähnelt dem im Dreiecksmuster. s hat einen großen Einfluss auf die Multistabilität der Struktur; Je kleiner s ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass es ein bistabiles Verhalten aufweist. Wir dürfen es jedoch nicht zu klein machen, da die Verbindung zwischen den Teilen nach mehreren Einsatzrunden zu brüchig werden würde. Der für eine mittlere stabile Position erforderliche Mindestwert von s beträgt 0,5 mm (s/ls = 0,036). Daher haben wir für den lasergravierbaren Gummiprototyp s = 0,55 mm (s/ls = 0,039) gewählt. Abbildung 2d zeigt die Verteilung der von Mises-Spannung in der Sternelementarzelle, und die Spannung ist wiederum hauptsächlich an den Scharnieren lokalisiert.

Der Einfluss der Sterngelenkabmessungen und des Armwinkels β wird auch auf die strukturelle Stabilität in den Ergänzungsmaterialien S2 untersucht. Geometrisch gesehen ermöglicht ein kleinerer β, dass sich die Struktur in einem größeren Ausmaß entfalten kann, was die Geometriediskrepanz erhöht, die eine große Durchbruchkraft erfordert.

In den Zusatzmaterialien S2 werden auch die Zugversuche an lasergeschnittenen Modellen demonstriert und stimmen mit den numerischen Ergebnissen überein.

Als mögliche Anwendung der multistabilen Kirigami-Strukturen, insbesondere des in Abb. 1a gezeigten dreieckigen Kirigami, wird ein rekonfigurierbarer und abstimmbarer Halbwellendipol vorgestellt. Diese Anwendung ist offensichtlich von klassischen abstimmbaren Halbwellen-Dipolantennen mit Teleskopelementen inspiriert33. Kürzlich wurde eine fortschrittliche elektronische Version des Teleskopdipolkonzepts in Form einer Pin-Dioden-Array-Struktur vorgeschlagen, deren Elemente „aktiviert“ werden, um eine hohe Leitfähigkeit durch Anlegen einer Durchlassspannung zwischen den p-Typ- und n-Typ-Bereichen zu erreichen34. Die Betriebsfrequenz der Antenne wird durch Ändern der Anzahl der in Durchlassrichtung vorgespannten Pin-Diodenzellen neu konfiguriert, was den Anschluss von Vorspannungsleitungen an jedes der Antennenelemente mit Drosselinduktivitäten und Entkopplungskapazitäten erfordert. Zu den Nachteilen dieser Struktur zählen die Wärmeentwicklung in der Diode aufgrund der hohen Vorwärtsvorspannung und Strahlungsinterferenzen mit metallischen Elementen, wie etwa den DC-Vorspannungsleitungen. In einer weiteren aktuellen Arbeit zur Realisierung einer frequenzabstimmbaren Halbwellenlängen-Dipolantenne wurde die Verwendung einer Anordnung elektrisch betätigter Flüssigmetallpixel vorgeschlagen35.

In dieser Arbeit wird die Einstellbarkeit der Dipolantwort durch Variation der Ausdehnung der Kirigami-Gummistreifen erreicht, die mit einer dünnen metallisierten Schicht bedeckt sind und die Dipolarme bilden. Der aus zwei vollständig geschlossenen Kirigami-Streifen bestehende Dipol ist in Abb. 3a zusammen mit der Beispielkonfiguration mit sechs aufgespannten Elementarzellen in jeder der beiden Reihen des Kirigami-Musters dargestellt. In den anderen Beispieldipolkonfigurationen, die analysiert wurden, weist der Dipol Zwischenverlängerungen auf, die zwei und vier Elementarzellen entsprechen, die in den Kirigami-Mustern aufgespannt sind. Die Kirigami-Streifen, die die Dipolarme bilden, enthalten insgesamt neun Elementarzellen und könnten daher grundsätzlich auf größere Längen ausgedehnt werden. Es ist bemerkenswert, dass ein ähnlicher Ansatz angewendet werden könnte, um eine frequenzrekonfigurierbare Mikrostreifen-Patchantenne unter Verwendung des Stern-Kirigami-Musters zu realisieren.

(a) Skizzen des realisierten Dipolmodells. (b) Musterprototyp im Messaufbau. (c) Simulierter und gemessener Reflexionskoeffizient des abstimmbaren Dipols in den in Unterabbildung (a) gezeigten Beispielkonfigurationen variabler Ausdehnung. (d) Vergleich des simulierten und gemessenen Abstimmbarkeitsbereichs.

Die Proof-of-Concept-Dipole wurden durch einfaches Aufkleben einer Aluminiumfolie auf die Gummiplatte und anschließendes Durchschneiden der Folie realisiert, indem mit dem Laser dem in die Gummiplatte eingeprägten Kirigami-Muster gefolgt wurde. Ein Beispiel ist in Abb. 3b dargestellt, wo auch zu sehen ist, dass die Dipole direkt von einem starren Koaxialkabel mit einer Impedanz von 50 Ohm gespeist werden.

Die Reaktion der Probendipole wurde durch Beobachtung ihres Reflexionskoeffizienten Γ charakterisiert, der mit einem Vektornetzwerkanalysator (VNA) gemessen wurde. Zum Vergleich mit Messungen wurde der Reflexionskoeffizient der Dipole auch mit CST Microwave Studio (MWS) simuliert, wobei ideale geometrische Konfigurationen ohne Verformung des Kirigami-Musters, die reale Strukturen bei Dehnung aufweisen können, und ein kurzer Abschnitt angenommen wurden Ein 50-Ohm-Koaxialkabel zur Speisung der Dipole ist im Modell enthalten. Die simulierten und gemessenen Reflexionskoeffizienten für die Dipole in den vier Beispielkonfigurationen sind in Abb. 3c dargestellt. Der beobachtete Frequenzbereich zeigt die Grundresonanz (niedrigste Frequenz) der Dipole. Aus Messungen abgeleitete Resonanzfrequenzen stimmen sehr gut mit den entsprechenden Simulationsdaten überein. Einige Schwankungen in den gemessenen Reflexionskoeffizienten, die in den simulierten Kurven nicht vorhanden sind, können auf Rauschen oder eine verbleibende Ungenauigkeit bei der Kalibrierung des VNA zurückzuführen sein. Es ist zu erkennen, dass sich die Resonanzfrequenzen nach unten verschieben, während die Kirigami-Streifen, die die Dipolarme bilden, durch die Erhöhung der Anzahl offener Elementarzellen verlängert werden. Dadurch kann die Grundresonanz des Dipols von etwa 0,52 bis 0,38 GHz abgestimmt werden, was einer abstimmbaren Bandbreite von etwa 30 % bezogen auf die Mittenfrequenz des abstimmbaren Bereichs entspricht. Unterdessen schrumpft die Dipol-Fraktionsbandbreite nur geringfügig. Basierend auf Simulationen bleibt das Strahlungsmuster an der Resonanz (nicht angegeben, da es sich um das Standardmuster für Dipolantennen handelt) für alle betrachteten Dipole praktisch gleich. Simulationen alternativer Dipolkonfigurationen haben gezeigt, dass die Positionen der offenen Elementarzellen entlang der Kirigami-Streifen, die die Dipolarme bilden, praktisch keinen Einfluss auf die Dipolreaktion haben, die nur von der Anzahl der offenen Zellen und damit der Gesamtausdehnung des Dipols beeinflusst wird Waffen.

Die wichtigsten geometrischen und elektrischen Parameter, die die Dipolantenne bei der Grundresonanz für eine variable Anzahl offener Elementarzellen charakterisieren, sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Daraus ergibt sich der Trend der Dipolresonanzfrequenz gegenüber der Anzahl offener Elementarzellen in jeder Reihe der Kirigami-Streifen in den verschiedenen physikalischen Dipolerweiterungen, die in Tabelle 1 gezeigt werden, ist in Abb. 3d dargestellt, wo auch Simulationsergebnisse für einige zusätzliche Dipolkonfigurationen enthalten sind. Unter Berücksichtigung dieser zusätzlichen Daten erreicht die abstimmbare Bandbreite des Dipols etwa 35 % in Bezug auf die Mittenfrequenz des abstimmbaren Bereichs.

Die in dieser Arbeit vorgestellten periodischen multistabilen Kirigami-Muster eignen sich auch für die Realisierung mechanisch rekonfigurierbarer frequenzselektiver Oberflächen (FSSs). Die FSSs können realisiert werden, indem auf einer Seite der Gummiplatte, auf die das Kirigami-Muster geschnitten wird, eine elektrisch leitende/metallische Schicht erzeugt wird; Eine andere Möglichkeit wäre, die Kirigami-Struktur mit einem Material mit hoher Permittivität zu bilden. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf den erstgenannten Ansatz. Sobald sie mit einer geeigneten Metallisierung bedeckt sind, würden sich die Kirigami-Metaoberflächen wie FSSs verhalten und in jedem ihrer stabilen Zustände spezifische Transmissions- und Reflexionsspektren aufweisen. Die EM-Reaktion der FSSs kann daher durch die mechanische Transformation der Kirigami-Muster neu konfiguriert werden, vorausgesetzt, dass die metallisierte Schicht dem Verformungsprozess (Dehnung und Kompression) standhalten kann und die Leiterkonnektivität erhalten bleibt, insbesondere durch die dünnen Bänder zwischen den Dreiecken, die die bilden Kirigami-Metaoberflächen. Wir haben getestet, dass beide Metaoberflächen in kurzer Zeit wiederholt eingesetzt werden können (Ergänzungsmaterialien S2).

Aufgrund der endlichen Breite der Schnitte, die die Kirigami-Muster erzeugen, verhalten sich die FSSs im geschlossenen Zustand im Allgemeinen nicht wie ein gleichmäßiger leitfähiger Schirm, der die Übertragung jeglicher Strahlung in den Halbraum dahinter verhindert, sondern jeder von ihnen zeigt sich lieber eine besondere Resonanzreaktion, die mit der spezifischen Länge, Breite und Ausrichtung der Schnitte verbunden ist. Allerdings kann eine einfache Modifikation der ursprünglichen Kirigami-Muster entwickelt werden, um eine zweistufige, umschaltbare Ein-/Aus-FSS-Reaktion zu erreichen, wie im Folgenden gezeigt wird.

Um das Konzept der vorgeschlagenen rekonfigurierbaren Kirigami-FSSs zu veranschaulichen, betrachten wir zunächst die Metaoberfläche mit der Elementarzelle, die aus kleinen Dreiecken besteht, die nur horizontal gestreckt werden können (lt = 12 mm). Wie oben erwähnt, kann dieses periodische Kirigami-Muster leicht in ein rekonfigurierbares anisotropes FSS umgewandelt werden, indem eine leitende Schicht auf die Gummiplatte aufgebracht wird, die zur Realisierung des mechanisch umwandelbaren Musters verwendet wird. Während diese Struktur abhängig von der Anzahl der eingesetzten Säulen verschiedene Konfigurationen annehmen kann, wie bei der abstimmbaren Dipolantenne zu sehen ist, konzentrieren wir uns bei der FSS-Anwendung auf den vollständig geschlossenen und vollständig offenen Zustand.

Die EM-Reaktion der FSSs, die durch die metallisierten Kirigami-Metaoberflächen mit geschlossenen und offenen Dreiecken gebildet werden, wurde mit CST MWS unter Verwendung einer einzelnen Elementarzelle des Kirigami-Musters mit doppelt periodischen Randbedingungen simuliert. Da wir zur Validierung von Simulationen standardmäßige kostengünstige Leiterplattentechnologie verwenden wollten, wurde davon ausgegangen, dass die leitende Schicht aus einem 0,035 mm dicken Blech aus reinem Kupfer besteht \((\sigma_{Cu} = 5,96 \times 10^{7 } {\text{ S/m}})\) auf einem RF-Laminat mit \(\varepsilon_{r} = 4,3\) und \(\tan \delta = 0,025\) (glasverstärktes Epoxidharz, FR4) platziert ).

Als Proof-of-Concept haben wir starre PCB-Versionen des geschlossenen und vollständig offenen Zustands des transformierbaren FSS entwickelt, die in Abb. 4a dargestellt sind. Die hergestellten FSSs wurden durch Messung ihrer Übertragungseigenschaften charakterisiert. Ein aktuelles Bild des Messaufbaus ist in Abb. 4b dargestellt. Die Proben, alle mit Abmessungen von 20 cm × 20 cm, wurden in einen Metallrahmen eingebaut, der zwischen zwei Breitbandhörnern platziert und mit einem Vektornetzwerkanalysator (VNA) verbunden war. Die Beugung am Rahmenfenster wurde zunächst durch Charakterisierung der Vorrichtung ohne Proben kalibriert. Parasitäre Reflexionen waren bei diesen Tests nicht erkennbar. Die gemessene Durchlässigkeit für horizontale und vertikale Polarisationen wird mit den entsprechenden Simulationsergebnissen in Abb. 4c bzw. d überlagert. Es ist ersichtlich, dass die Übereinstimmung zwischen Messungen und Simulationen gut ist, insbesondere im Bereich der FSS-Grundresonanz. Es ist interessant festzustellen, dass diese Art von Kirigami-FSS im geschlossenen Zustand im Wesentlichen undurchsichtig für ein vertikal polarisiertes einfallendes Feld bei den Frequenzen ist, bei denen die offene Konfiguration ihre grundlegende Durchlassbandresonanz für dieselbe Polarisation zeigt, während das Gegenteil geschieht die vertikale Polarisation. Insbesondere aus dem Diagramm in Abb. 4c ist ersichtlich, dass das FSS im geschlossenen Zustand die Grundresonanz für eine horizontale einfallende Polarisation mit voller Transmission bei etwa 6 GHz aufweist, während es sich für die vertikale Polarisation im Wesentlichen wie eine verhält perfekter Reflektor bei gleicher Frequenz. Wenn das FSS hingegen in seinen vollständig geöffneten Zustand gebracht wird, werden beide Polarisationen reflektiert, da die erste Resonanz für diese Konfiguration, für eine vertikal polarisierte einfallende Welle, bei höheren Frequenzen auftritt und die Übertragung im Niederfrequenzbereich vernachlässigbar ist. Mit anderen Worten: Die Reaktion dieses dreieckigen FSS bei niedriger Frequenz kann mechanisch von vollständig reflektierend auf die eines Transmissionspolarisators umgeschaltet werden.

(a) FSS-Proben. (b) Versuchsaufbau. Gemessene und simulierte Durchlässigkeiten des dreieckigen Kirigami-FSS in seiner geschlossenen und vollständig geöffneten Konfiguration für eine (c) horizontal und (d) vertikal polarisierte einfallende Welle. (e) Gemessene und simulierte Transmission des Stern-Kirigami-FSS in seiner geschlossenen und vollständig offenen Konfiguration. (f) Simulation des schaltbaren Ein-Aus-FSS, das durch Modifizieren des Sternmusters durch die Einführung kleiner metallischer Kerben oder winziger Federn erhalten wird, wie im Einschub der Elementarzelle gezeigt, die als Kurzschlüsse der Schlitze fungieren, die den Schnitten entsprechen, die das definieren Kirigami-Muster in der geschlossenen Konfiguration, während ihr Vorhandensein praktisch keine Wirkung hat, wenn das FSS geöffnet ist.

Das Konzept der vorgeschlagenen rekonfigurierbaren Kirigami-FSSs wird weiter am Beispiel der FSSs veranschaulicht, die durch Hinzufügen einer leitenden Schicht auf der Kirigami-Metaoberfläche hergestellt werden, wobei die Elementarzelle aus einem vierzackigen Stern besteht, der mit acht kleinen Dreiecken verbunden ist. Wie im Abschnitt „Sternmuster“ gezeigt, konzentrieren wir uns bei der Mosaikbildung dieses Musters in der Ebene speziell auf die Reaktionen der isotropen Öffnungs- und Schließzustände. Was das Dreieck-Kirigami-FSS betrifft, haben wir zur Validierung der Rekonfigurierbarkeit des Stern-FSS statische PCB-Versionen dieser beiden stabilen Stern-Kirigami-Konfigurationen erstellt. Die in Abb. 4a dargestellten FSS-Prototypen für gedruckte Schaltungen wurden unter Verwendung standardmäßiger FR4-Laminate mit einer Dicke von 1–6 mm und einer 0,035 mm dicken Kupferummantelung hergestellt.

Die Simulation dieser FSSs wurde wiederum unter Rückgriff auf doppelt periodische Randbedingungen in CST MWS durchgeführt, um den Analysebereich auf eine einzelne Elementarzelle des Kirigami-Musters zu reduzieren.

Da die geschlossenen und vollständig offenen Sternmuster isotrop sind, muss nur die Durchlässigkeit bei einer einfallenden Polarisation untersucht werden. In ähnlicher Weise wurden die PCB-Proben durch Messung ihres Transmissionskoeffizienten für eine einzelne einfallende Polarisation charakterisiert. Die Messungen wurden in einer schalltoten Kammer mit dem gleichen Aufbau wie in Abb. 4b durchgeführt, der für das Dreieck-Kirigami-FSS verwendet wurde.

Die gemessenen Transmissionskoeffizienten sind in Abb. 4e überlagert mit den entsprechenden Simulationsergebnissen dargestellt. Wie ersichtlich, besteht eine gute Übereinstimmung zwischen Messungen und Simulationen, sowohl im Bereich der Grundresonanz als auch bei höheren Frequenzen. Wenn die Kirigami-Elementarzellen geschlossen sind, zeigt das FSS seine grundlegende Durchlassbandresonanz bei etwa 6,7 ​​GHz, während die Resonanz bei der offenen Struktur bei 7,8 GHz auftritt. Mit anderen Worten: Im Prinzip kann durch mechanische Transformation der Kirigami-Struktur eine Frequenzverschiebung des FSS-Grunddurchlassbands um 15 % erreicht werden, obwohl die Zustandsänderung nicht zu einer wesentlichen Dämpfung der Übertragung bei den Frequenzen jedes FSS-Durchlassbands führt .

Insgesamt bestätigen diese Messungen tatsächlicher FSS-Proben endlicher Größe Vorhersagen, die auf der Simulation der entsprechenden idealen unendlichen periodischen Strukturen basieren, und beweisen, dass transformierbare Kirigami-Muster das Potenzial haben, eine völlig neue Klasse rekonfigurierbarer FSSs zu ermöglichen, die für ihre Verwendung nicht auf elektronische Komponenten angewiesen sind Betrieb. Eine tatsächliche Umsetzung dieses Konzepts würde jedoch erfordern, dass die Metallisierung mit einem Laserschneider direkt auf die laserbaren Gummiplatten aufgetragen wird, aus denen die Kirigami gefertigt werden, und dass dabei die Verformbarkeit der Struktur erhalten bleibt.

Wie in Abb. 4e gezeigt, verhält sich das Stern-Kirigami-FSS im geschlossenen Zustand nicht wie ein gleichmäßig leitender Schirm, der die Übertragung von Strahlung in den Halbraum dahinter verhindert, sondern zeigt eine Resonanzreaktion, die mit der Konfiguration der Schlitze darin zusammenhängt Die Metallschicht entspricht den Schnitten, die das Kirigami-Muster erzeugen.

Eine einfache Modifikation des ursprünglichen Start-Kirigami-Musters kann vorgenommen werden, um eine FSS-Reaktion mit zwei Zuständen zu erreichen, die ein-/ausschaltbar ist. Die Idee besteht darin, eine regelmäßige Verteilung kleiner metallischer Kerben entlang der Ränder des Kirigami-Musters einzuführen, wie in der modifizierten Sternelementarzelle im Einschub von Abb. 4f gezeigt. Im geschlossenen Zustand schließen diese Kerben die Schlitze im Metallschirm kurz, die den Schnitten des Kirigami-Musters entsprechen, während das offene Muster durch ihre Anwesenheit vernachlässigbar verändert wird. Die simulierten Transmissions- und Reflexionskoeffizienten des modifizierten Stern-FSS in der geschlossenen Konfiguration sind in Abb. 4f dargestellt. Wie offensichtlich ist, besteht die Wirkung der Kurzschlüsse darin, die Grundresonanz, die mit dem periodischen Schlitzmuster im geschlossenen Zustand verbunden ist, in der Frequenz nach oben zu verschieben, da die tatsächlichen Längen der verschiedenen Schlitze weniger als die Hälfte der entsprechenden Längen im Original betragen Muster. Dadurch wird der Transmissionsgrad im interessierenden Frequenzbereich deutlich reduziert. Dieser Ansatz könnte tatsächlich verwendet werden, um ein mechanisch schaltbares Zweizustands-FSS zu realisieren, wobei das FSS im geschlossenen Zustand bei den Frequenzen, bei denen das offene Muster seine Durchlassbandresonanz zeigt, praktisch undurchlässig für das einfallende Feld ist.

Für vielfältige elektromagnetische Anwendungen wurde eine neue Klasse elektromechanischer Metamaterialien entwickelt, die von transformierbaren Kirigami-Mustern inspiriert sind. Die Topologien der Struktur können aufgrund ihrer Multistabilität dynamisch angepasst und in mehreren verschiedenen Konfigurationen fixiert werden. Für jede stabile Konfiguration weist die Elementarzelle der Metamaterialien unterschiedliche Resonanzeigenschaften auf, die wir für Anwendungen wie abstimmbare Dipole und FSSs nutzen können. Beide Strukturtypen erfordern, dass auf einer Seite der Gummiplatte, auf die das Kirigami-Muster geschnitten wird, eine elektrisch durchgehende leitfähige Schicht aufgebracht wird und dass die elektrische Kontinuität zwischen den Zellen erhalten bleibt, während die Struktur einer mechanischen Verformung unterliegt, um ihre EM-Reaktion neu zu konfigurieren . Dies ist eine große Herausforderung an den dünnen Bändern, die als Biegescharniere zwischen den Elementen dienen, die die Kirigami-Muster bilden, und die während der Transformation gebogen und komprimiert werden.

Für unsere Proof-of-Concepts entwickelten wir statische PCB-Versionen der transformierbaren FSSs in ihren verschiedenen Konfigurationen, während wir für die abstimmbaren Dipolproben flexible Aluminiumfolie verwendeten, die an der Gummiplatte befestigt war, die jedoch nach einigen Verformungen dazu neigt, zu reißen. In der Praxis wäre für den Betrieb der vorgeschlagenen Kirigami-inspirierten EM-Strukturen eine dehnbare leitende Oberfläche erforderlich, die wiederholten mechanischen Dehnungen und Kompressionen standhalten kann36. In den letzten Jahren gab es erhebliche Fortschritte bei der Entwicklung elastischer Leiter, die wesentliche Komponenten für großflächige dehnbare Sensor- und Aktornetzwerke für das Gesundheitswesen, Wearables und die Robotik sind. Einer der gängigen Ansätze zur Realisierung flexibler Leiter ist die Mischung von Elastomeren mit Metallnanopartikeln. Viele neuartige Nanomaterialien wurden untersucht, um Flexibilität und gute elektrische Leistung zu erreichen. Nanomaterialien auf Silberbasis, darunter Silbernanopartikel, Nanodrähte und Nanoflocken, haben sich als vielversprechende Kandidaten für den Einsatz in dehnbaren Leitern erwiesen37,38,39. In ähnlicher Weise wurde auch über hoch dehnbare Leiter aus Goldnanostrukturen berichtet40,41. Eine ausführlichere Zusammenfassung der bedeutenden Fortschritte bei der Entwicklung dehnbarer Leiter findet sich in42.

Ein weiterer Ansatz zur Realisierung dehnbarer Elektronik besteht in der Verwendung starrer aktiver Geräteinseln und dehnbarer Verbindungen, wie z. B. in43,44. In ähnlicher Weise könnten wir in unseren Kirigami-Strukturen ein periodisches Muster aus getrennten starren Metallflecken auf der Oberseite des Gummisubstrats einbringen, so dass kleine Teile der Gummioberfläche um die Biegescharniere herum frei bleiben, also ohne metallische Abdeckung, und dann das isolierte Metall verbinden Patches können entweder einfach durch Löten von Drähten dazwischen oder durch Anbringen anderer Arten flexibler Verbindungen hergestellt werden. Die technologischen Aspekte der Realisierung der vorgeschlagenen EM-rekonfigurierbaren Kirigami-Geräte gehen über den Rahmen dieser Arbeit hinaus und werden in einer zukünftigen Veröffentlichung behandelt.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag darauf, durch parametrische Analyse und Energiemodellkonstruktion zu zeigen, dass wir die stabilen Konfigurationen der entwickelten Kirigami-Muster programmieren können. Der Zusammenhang zwischen Musterparametern und der elektromagnetischen Leistung wurde untersucht und getestet. Durch den Einsatz kinematischer Designwerkzeuge können wir verschiedene Morphing-Strukturen mit großem Verformungsbereich erstellen, und es gibt noch einen großen Designraum, der noch erforscht werden muss. Dementsprechend bietet die Formvariation elektromechanischer Metamaterialien einen breiten Abstimmungsbereich für die elektrischen Eigenschaften und EM-Antworten abstimmbarer Antennen, Filter und anderer Komponenten, wie sie für die nächsten Generationen drahtloser Kommunikationssysteme, Fernerkundung und tragbarer Elektronik für die Biomedizin erforderlich sind Anwendungen.

Alle Daten sind im Haupttext oder in den Zusatzmaterialien verfügbar.

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Die Autoren danken Paul Pattinson für seine Unterstützung bei der Herstellung der PCB-Prototypen.

Diese Arbeit wurde teilweise vom UK Engineering and Physical Sciences Research Council im Rahmen der Förderung EP/N010493/1 („Synthesizing 3-D Metamaterials for RF, Microwave and THz Applications“) unterstützt. ZY möchte sich für die Unterstützung des Air Force Office of Scientific Research (FA9550-16-1-0339) bedanken. YY dankt der Universität Oxford für das Clarendon-Stipendium.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Yunfang Yang und Andrea Vallecchi.

Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Oxford, Parks Road, Oxford, OX1 3PJ, Großbritannien

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

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YY führte den Entwurf der Kirigami-Muster durch, fertigte die Prototypen, führte Analysen und Experimente zu ihrer mechanischen Leistung durch und verfasste und überarbeitete das Manuskript. AV schlug die Anwendungen abstimmbarer Dipole und frequenzselektiver Oberflächen vor und entwickelte sie, führte elektromagnetische Analysen und Experimente durch, stellte die Prototypen her und entwarf und überarbeitete das Manuskript. ES überwachte die Forschung und überprüfte das Manuskript. CJS, ZY leitete und überwachte die Forschung und überprüfte das Manuskript.

Korrespondenz mit Ekaterina Shamonina, Christopher J. Stevens oder Zhong You.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Yang, Y., Vallecchi, A., Shamonina, E. et al. Eine neue Klasse transformierbarer Kirigami-Metamaterialien für rekonfigurierbare elektromagnetische Systeme. Sci Rep 13, 1219 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-27291-8

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Eingegangen: 09. August 2022

Angenommen: 29. Dezember 2022

Veröffentlicht: 21. Januar 2023

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

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