近日，北京理工大学雷红帅教授团队在生物学的启发下，借鉴变色龙皮肤的颜色调控机制，提出了具有可调控和宽频隐身特性的电磁吸波超结构设计新方法。该结构利用Kresling折纸的双稳态切换效果，实现低频与高频互补的电磁吸波特性，叠加频带覆盖2~18GHz。研究成果以Bioinspired Double-broadband Switchable Microwave Absorbing Grid Structures with Inflatable Kresling Origami Actuators为题发表于国际TOP期刊Advanced Science。
变色龙是自然界中可实现体表颜色快速变化的最具代表性的生物之一，其表皮的颜色变化源自于虹色素细胞和载黑素细胞的相互作用。其中，虹色素细胞提供底色，而载黑素细胞通过控制内部的黑色素在底部储囊和顶部分支之间快速移动实现体色的明暗转变，见图1所示。受此启发，研究团队通过模拟变色龙两种表皮细胞的不同功能，开发了一种可调控超宽频电磁吸波结构。选取了阻抗型格栅作为主体结构，模拟虹色素细胞的功能；选用圆形电阻片置于格栅中组成阵列，达到频率选择表面的效果，模拟载黑素细胞的功能；引入了具有双稳态特性的Kresling折纸结构作为驱动气囊，极大地简化了驱动装置的复杂程度，并可在电磁性能调控过程中可实现稳定可靠的结构自支撑。当电阻片位于底部和顶部的不同位置时，吸波结构分别实现高频宽带和低频深带的隐身效果。通过优化充分发挥二者的吸波性能，最终实现高低频互补的全频段电磁隐身。
图1 双宽频可调控电磁吸波格栅结构设计示意图
在具体的研究过程中，研究团队首先对Kresling折纸气囊的双稳态条件进行了详细分析。通过机构运动学的研究，得到Kresling折纸结构参数与稳态数量的对应关系，设计并制备了折纸气囊驱动装置，并通过有限元仿真和气动实验进行验证。图2展示了在气动实验中，Kresling折纸气囊内部气压与结构高度之间的对应关系。结果表明：当内压降至-7.6kPa时（对应结构高度22.5mm），折纸气囊由展开状态切换为折叠状态；当内压增至14kPa时（对应结构高度20.5mm），折纸结构由折叠状态切换为展开状态。
图2 Kresling折纸气囊气动测试结果
为实现可调控折纸结构高低吸波频带的互补效果，研究团队采用粒子群优化算法对结构参数进行了优化设计，并根据设计结果制备试样进行了验证（见图3）。结果表明，所设计的结构在完全收缩状态下具备3.4~18GHz的吸波频带；在展开状态下具备2~4.7GHz的吸波频带。两个频带相互补充，实现了2~18GHz的全频带电磁隐身效果。
图3 双宽频可调控吸波格栅结构电磁性能测试结果
研究团队还对格栅结构的电磁吸波机理进行了分析（见图4），结果显示：在电磁性能调控过程中，圆形电阻片主要与阻抗型格栅内壁面电阻相互作用产生共振，吸收电磁波能量，且胞元间的电磁特性相互独立。研究团队进一步引入数字化调控策略进行各胞元状态的精准控制，实现电磁吸波效果的连续变化，发现电磁性能仅与处于不同状态下胞元的比例相关，与排布方式无关，结构电磁性能具有良好的鲁棒性，部分胞元失效对结构的整体性能影响较小。
图4 双宽频可调控吸波格栅结构数字化调控效果
综上，研究人员在方岱宁院士先进结构技术新思想的启发下，创新提出了一种仿变色龙可调控宽频电磁吸波隐身超结构的设计方法，通过调整Kresling折纸气囊内压强度切换结构稳态，实现高低频互补的吸波效果切换，显著拓展吸波频带，为可调电磁吸波结构设计提供了新思路。
北京理工大学博士研究生张众（现为博士后）为论文第一作者，雷红帅教授和段晟昱博士后为论文共同通讯作者，赵则昂副教授、陈明继副教授、方岱宁院士和新加坡南洋理工大学王长显博士后（现为暨南大学副教授）为论文共同作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划和国家博士后创新人才计划的资助。
北京理工大学雷红帅教授团队，前期围绕承载隐身多功能电磁吸波结构开展了系统性研究工作，发展了电磁吸波材料、二维吸波结构、三维吸波结构及可调控吸波结构的优化设计方法等，部分研究成果为新一代隐身装备提供了关键技术保障。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/advs.202306119
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