Light | 新型自修复柔性微波波导

柔性射频技术是近年来飞速发展的一项前沿技术，在柔性可穿戴设备、人形机器人等领域具有重要的应用前景。

作为构成柔性射频系统最基本的器件，柔性平面微波传输线的性能对结构变化非常敏感，轻微结构变形就有可能导致其电磁性能出现急剧下降，从而严重影响射频信号传输。然而，可穿戴的柔性设备不可避免地会经受长时间的弯折、扭曲，柔性平面微波传输线的损坏变形会给整个可穿戴系统的稳定性带来巨大隐患。因此，如何保证射频信号在柔性可穿戴系统中稳定、可靠地传输，是目前柔性射频技术领域亟待解决的重大挑战之一。

近日，东南大学柔性射频技术研究中心陆卫兵教授团队与智能材料研究院、化学化工学院李全院士团队和南京大学配位化学国家重点实验室李承辉教授团队合作，在自修复柔性微波波导方面取得了重要进展。他们提出并实现了一种新型柔性可拉伸微波波导，该柔性波导具备优异的稳定性和室温自修复功能，为未来柔性可穿戴射频器件与系统的设计制造提供了全新思路。

该成果以“Stretchable and self-healable spoof plasmonic meta-waveguide for wearable wireless communication system”为题发表在Light: Science & Applications。论文通讯作者为东南大学陆卫兵教授、李全院士和南京大学李承辉教授。第一作者为东南大学博士生于步云，南京大学硕士生乐德伟为共同第一作者。其他贡献者包括南京大学博士生侯可心，东南大学博士生居璐、博士后陈昊、硕士生丁聪，和管英士教授、刘震国教授以及代云茜教授等。该工作得到了国家自然科学基金委杰出青年科学基金、面上基金项目，中央基本科研业务费前沿科学中心、江苏省双创团队、江苏特聘教授及紫金山实验室等资助。

基于自修复弹性体和可拉伸人工表面等离激元超材料的新型波导相关机理如图1所示。研究团队基于动态亚胺键设计了一种兼具高强度、良好柔韧性以及室温自修复能力的弹性体基底。与其他线性结构自修复材料不同，该基底因其自身动态三维交联网络结构而具有较低的蠕变性，从而保证了射频器件形态的长期稳定性。将该基底在室温下完全切断后再将断面拼接，其可在24小时内恢复至原有力学强度。同时，由于环氧基团的存在，该基底与金属结构表面之间具有良好的黏合力，这极大地方便了器件的制造与组装。

图1. 自修复柔性可拉伸人工表面等离激元波导示意图。

在实际应用中，破损后处于动态变化的弹性基底或许不能实现平整完美的裂口修复效果，自修复过程本身也需要一定的时间。为了时刻维持无线通信质量，需要射频器件结构本身也具备抗损坏、抗变形的性能。为此，研究团队提出了一种基于可拉伸蛇形金属结构的新型人工表面等离激元波导结构，该波导结构在不牺牲电磁性能的前提下展现出了优异的拉伸、扭曲性能。与传统平面微波传输线相比，得益于人工表面等离激元独特的场分布，该波导对金属结构和基底的损伤变形有着更高的耐受能力。自修复材料可实时修复损伤维持器件结构的力学强度，而人工表面等离激元结构可在损伤变形的情况下维持良好的电磁性能，二者的特性相辅相成互为补充，从而实现了极佳稳定性和耐久性的新型微波波导。

作为功能验证，研究团队制造了自修复柔性可拉伸人工表面等离激元波导，并进行了相应测试（图2）。

测试结果证明，即使发生结构破损并弯折、扭曲变形，该新型波导仍能维持可靠的电磁波传输，而且在自修复完成后，电磁波传输性能几乎可以恢复至初始状态。同时，利用软件无线电模拟柔性可穿戴电子系统并搭建了一个人体网络测试环境。在实验中，该波导被放置于人体手肘部位，连接软件无线电系统发送端，电磁波经手肘部位的波导器件后由可穿戴天线向体外发射，最终被软件无线电系统接收并还原。实验证明，手肘的运动不会使传输信号产生失真。无论手肘部的波导器件是否被弯曲、扭转，或者受到一定程度的结构损伤，无线通信质量都不会受到明显影响。实验结果证明了自修复柔性可拉伸人工表面等离激元波导优异的稳定性和耐久性。

  论文信息  

Yu, BY., Yue, DW., Hou, KX. et al. Stretchable and self-healable spoof plasmonic meta-waveguide for wearable wireless communication system. Light Sci Appl 11, 307 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-01005-1

文章来源：中国光学