大家好，今天一起来了解一项受变色龙变色机制启发的可调超材料微波吸收器———《A tunable metamaterial microwave absorber inspired by chameleon’s color-changing mechanism》发表于《SCIENCE ADVANCES》。在如今这个科技飞速发展的时代，电磁波在微波范围内的应用越来越广泛，像无线通信和国防雷达等领域。但是呢，这也带来了一些问题，比如需要有效衰减这些电磁波，减少电磁污染和干扰，或者让物体具备隐身能力不被雷达发现。
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一、传统微波吸收材料与结构的局限
在深入了解创新吸收器之前，先来看看传统的微波吸收材料和结构。传统的雷达吸收材料，像碳基介电损耗材料和铁氧体基磁损耗材料，它们虽然有一定的吸收能力，但仅仅通过控制材料的电磁特性（介电常数和磁导率），忽略了结构对吸收的影响，所以在实现有效衰减方面存在局限，比如很难做到宽带吸收。
而结构吸收器呢，像一些3D单元结构，如八面体桁架、螺旋体和开尔文泡沫等，它们朝着轻质且坚固的宽带吸收器方向发展，通过工程孔隙率改善阻抗匹配，利用内部结构的多次反射和散射增加能量耗散。但是，它们有一个很大的问题，就是制造出来后电磁响应就固定了。比如说，一个设计好的宽带吸收器，它就只能吸收电磁波，没办法在需要的时候把内部雷达信号传输出去。
二、可调谐结构设计灵感与原理
研究团队从变色龙身上获得了灵感。大家都知道变色龙能变色，其实它是通过改变皮肤内鸟嘌呤纳米晶体的晶格结构来实现的。当这些纳米晶体的间距改变时，光子带隙就会移动，从而改变可见光的反射和透射强度。
基于这个原理，设计了一种交叉桁架结构。这个结构由基于介电损耗材料（碳黑和聚乳酸复合材料CB/PLA）的桁架以及聚合物连接器和铰链组成。桁架是关键部分，它决定了结构的电磁响应，因为它能与入射电磁波相互作用，通过衰减和反射来影响电磁波。而连接器和铰链呢，它们导电性低、介电损耗正切小，对入射波影响很小，主要是帮助结构进行机械组装和驱动。
当改变交叉桁架之间的角度时，就像变色龙改变晶体间距一样，微波的传输和吸收情况也会改变。在吸收模式下，比如角度为70°时，结构能在4-18GHz范围内实现超过90%的吸收，几乎没有传输。而当角度变为30°时，结构就可以进行传输，像在4.5GHz时传输率能超过30%。这就实现了从宽带吸收到传输模式的切换。
三、数据驱动的设计优化过程
为了让这个结构达到最佳性能，采用了数据驱动的设计方法。因为结构的电磁响应受材料特性和单元结构几何参数影响，虽然材料特性在制造后不能改变，但可以调整几何参数。然而，即使是简单的交叉设计，也会因为几何特征的变化产生无数种单元设计，这就很难通过试错法找到最优结构。
所以利用有限元分析（FEA）、神经网络和遗传算法来预测和优化结构。我们确定了五个重要的输入变量：桁架长度（l）、桁架宽度（w）、桁架厚度（t）、旋转角度（θ）和入射电磁波频率（f）。通过改变这些变量，得到吸收、反射和传输的输出结果。
首先，用FEA模拟了5000组随机生成输入参数的数据集，这些参数是在考虑制造约束和计算资源的情况下设定的。然后分析FEA结果的相关性矩阵，发现入射频率、桁架厚度和旋转角度与传输和吸收有明显的相关性。比如，频率增加、桁架厚度增加和旋转角度增加，一般会使吸收增加、传输减少。
而且，发现神经网络比线性或多项式回归模型能更准确地预测电磁响应。用训练好的神经网络替代模型，通过遗传算法进行优化，最终确定了宽带吸收的优化结构参数，像桁架长度为58.4mm、厚度为9.60mm等。
四、实验验证结果与分析
有了优化设计，接下来就是实验验证。制造并测试了这个宽带吸收和传输的可调谐结构。在制造方面，桁架用熔融丝制造（FFF）技术，使用CB/PLA复合丝；连接器用PolyJet技术制造，采用两种材料组合，以便实现灵活和刚性部分的一体化，并方便桁架结构的旋转连接；铰链则使用聚碳酸酯机械螺丝。
在实验中，用16个单元结构组成4×4阵列，通过双站自由空间测量系统测量电磁响应。从5.85GHz到18GHz改变旋转角度进行测量。结果显示，在70°时，结构实现了宽带吸收，最小吸收达到95.3%，平均吸收为98.1%，18GHz时近乎完美吸收，达到99.7%，这与FEA模拟结果相符，验证了宽带吸收的优化目标。
随着结构从70°扩展到30°，传输逐渐增加。例如在7.3GHz时，传输从1.8%增加到24.2%，这就实现了从吸收到传输模式的切换，满足了设计要求。不过，在低角度和高频率下，实验结果和模拟结果出现了一些偏差。这是因为模拟假设的是均匀理想平面波垂直入射结构，而实验使用的是点聚焦天线，入射波方向有轻微偏差。在吸收模式下，这种偏差影响较小，但在传输增加的扩展模式下，就会改变结构的吸收和散射机制。
最后，还设计了一个平台来展示结构的同步机械变换。通过线性执行器连接到连接器上，实现了整个结构的同步运动。这就像一个团队，大家一起行动，只要一个关节动起来，整个结构都能跟着协调变化。这个平台可以通过微控制器实时调整电磁响应，验证了结构的自动化驱动机制。
五、总结与展望
总的来说，受变色龙启发的交叉桁架结构通过数据驱动设计实现了宽带吸收和传输模式切换，经数值和实验验证有效，虽工作频率范围受测量天线限制，但可扩展。未来可增加几何设计复杂度提升性能，并进一步探索其他性能开发多功能结构吸收器，本研究为控制电磁响应提供了新方法。
在未来，还可以增加结构几何的设计复杂性，比如在桁架上增加曲率或采用多层结构，进一步提高峰值传输的调节能力，使其在实际应用中发挥更大的作用。同时，还可以探索除电磁响应之外的其他性能，开发多功能的结构吸收器。相信在不久的将来，这项技术会在更多领域得到应用和发展，为我们的生活带来更多的便利和安全保障。
六、一起来做做题吧
1、在微波范围内，控制以下哪种电磁响应对于减少电磁污染和实现隐身能力最具挑战性？
A. 反射
B. 传输
C. 吸收
D. 散射
2、以下哪种不是传统的雷达吸收材料？
A. 碳基介电损耗材料
B. 铁氧体基磁损耗材料
C. 基于介电损耗材料的桁架
D. 以上都是传统材料
3、文中设计的可调谐结构的单元细胞主要由什么材料决定其电磁响应？
A. 聚合物连接器
B. 铰链
C. 基于介电损耗材料的桁架
D. 以上都是
4、受变色龙启发的可调谐结构通过改变什么来实现电磁响应的调节？
A. 聚合物连接器的形状
B. 铰链的角度
C. 交叉桁架之间的角度
D. 介电损耗材料的类型
5、在数据驱动设计中，以下哪个不是用于预测和优化可调谐结构的方法？
A. 有限元分析（FEA）
B. 线性回归
C. 神经网络
D. 遗传算法
6、在数据生成时，以下哪个不是确定的输入变量？
A. 桁架长度（l）
B. 桁架颜色
C. 桁架厚度（t）
D. 旋转角度（θ）
7、优化后的结构在宽带吸收模式下，在 4 - 12GHz 范围内的平均吸收是多少？
A. 90%
B. 92.3%
C. 96.4%
D. 99.2%
8、在实验中，测量电磁响应时使用的是什么测量系统？
A. 单站自由空间测量系统
B. 双站自由空间测量系统
C. 聚焦式测量系统
D. 分布式测量系统
参考文献：
Dahyun D. Lim et al. A tunable metamaterial microwave absorber inspired by chameleon”s color-changing mechanism. Sci. Adv.11, eads3499(2025).
