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。
