电磁波的动态控制是现代工业发展中的一个重要课题。目前的动态设备存在诸如带宽窄、调制范围有限和价格昂贵等限制。为了解决这些问题，科研团队将折纸技术与超材料设计相结合，实现了超宽带和大深度反射调制，实验结果和成果发表在自然通讯杂志（Nature Communication），标题为“Origami metamaterials for ultra-wideband and large-depth reflection modulation”。
随着低地球轨道卫星互联网技术的迅速发展，卫星通信因其价格实惠、高速和低延迟的互联网接入服务而越来越受到关注。然而，卫星的电磁辐射和散射可能会干扰天文射电望远镜对空间的观测，而苛刻的空间环境也给改善通信质量和管理卫星隐形性带来了重大挑战。虽然将吸收结构纳入机械结构已经显示出在减少散射场和提高信号接收灵敏度方面很有前景，但它们的不透明性和电磁信号调整的静态性限制了它们在不同场景下的适用性。因此，具有对电磁波动态控制的智能自适应结构有望推动卫星通信的发展。
为了实现对电磁波的动态操作，出现了两种主要方法：材料电磁参数的调制和结构形状的改变。前者涉及引入外部刺激，包括施加偏压、磁场、光照或加热，以智能控制石墨烯、液晶和相变材料等材料的电磁特性，从而实现调制。然而，值得注意的是，尽管具有优势，但这些设备在操作带宽窄和调制深度有限方面经常面临瓶颈。此外，这些材料和精细结构使得这些设备昂贵且容易受到温度和振动等外部因素的影响，从而影响了它们在恶劣空间环境中的适用性。相反，可调节机械结构的机械变化提供了更大的自由度，具有更强的鲁棒特性。通过施加外部机械力，可以任意控制器件的形状和大小，从而承诺更高程度的可重构自由度。
折纸结构被认为是机械结构中最有前景的空间设备，因其独特的可变特性。最近，将折纸与通信设备结合已经取得了显着的性能，包括光偏转、宽带可切换吸收（分数带宽90.1%）和宽角度吸收达到70°等成就。这些开创性的折纸设计努力旨在提高可重构性和相应的核心性能，而无需考虑光学透明度和工艺复杂性。然而，折纸超材料的实际空间应用面临着挑战，尤其是在同时实现光学透明度、超宽带和大深度反射调制方面。
科研团队将折纸技术和柔性电子材料应用于超材料设计，实现了超宽带上的大深度反射调制。通过施加外部刺激，在平面板上诱导出Miura折叠转变，导致在4.96 – 38.8 GHz频率范围内，从强反射近0 dB到弱反射小于-10 dB的转变，实现了10 dB的调制深度和155%的分数带宽。利用透明导电薄膜，提出的超材料可以实现超过87.2%的透射率，覆盖可见光到近红外范围。为了深入了解机制，团队采用多极分解理论来分析折纸超材料的超宽带和大深度调制行为。通过激光刻蚀氧化铟锡（ITO） – 聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）片的折叠，制备了折纸超材料，并通过实际实验验证了其透明度、超宽带和大深度反射调制。团队提出的折纸超材料成本仅为每平方米16美元，这要归功于在制造过程中排除了贵金属。此外，所提出的超材料略重于同尺寸的A4纸，使其成为空间通信和光窗移动通信管理应用的轻量低成本解决方案。
在折纸超材料的强大性能和成本效益背后，蕴藏着多学科融合的无限潜力。值得注意的是，典型的超材料功能，如极化转换和光束偏转，可以与折纸技术无缝融合。这种激动人心的结合承诺引入先进的动态调制特性，可作为一种新的设计维度，并为太空通信设备和避免干扰射电望远镜的创新解决方案提供创新的解决方案。此外，考虑到折纸超材料作为设计平台，与柔性电子材料的激动人心的整合可能会开启新的可能性，并推动需要透明性和各种可穿戴电子设备的动态调制的进步。
Work Consulted
[1] Song, Z., Zhu, J.-F., Wang, X., Zhang, R., Min, P., Cao, W., He, Y., Han, J., Wang, T., Zhu, J., Wu, L., & Qiu, C.-W. (2024b, April 12). Origami metamaterials for ultra-wideband and large-depth reflection modulation. Nature News. https://www.nature.com/articles/s41467-024-46907-3 
