东南大学&南京大学Light Sci. Appl.：稳定可靠的新型自修复柔性微波波导

一、【导读】

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。

二、【成果掠影】

基于以上难题，东南大学李全教授、陆卫兵教授、南京大学李承辉教授等联合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（SSPP）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SSPP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。最后研究人员还进行了通信质量实验，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，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。研究成果以题为“Stretchable and self-healable spoof plasmonic meta-waveguide for wearable wireless communication system” 发表在知名期刊Light: Science & Applications上。

三、【核心创新点】

基于动态亚胺键的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，在人体网络测试环境展现出优异的稳定性和耐久性。

四、【论文掠影】

图1、自修复柔性可拉伸人工表面等离激元波导示意图 ©2022 The Author

自修复材料提高了结构强度和耐久性，而SSPP结构提高了可靠性，并为自修复过程提供了更大的耐受性。

图二、ATPA-EP的制备及性能表征 ©2022 The Author

（a）A01-TPA的合成路径及结构。

（b）环氧-聚亚胺CAN交换机制。

（c-d）A01-TPA的简化图示及构成交联动态ATPA-EP网络。

（e-f）制备的透明ATPA-EP膜及其可再加工性。

（g）ATPA-EP从50%至200%应变的循环加载-卸载曲线。

（h）ATPA-EP在25℃下的连续阶梯应变。

（i）室温下两个不同颜色的ATPA-EP样品的剪切-愈合-拉伸过程。

（j-k）不同愈合时间的剪切ATPA-EP薄膜的应力-应变曲线和自修复效率。

图三、新型人工等离子元波导的设计与制备 ©2022 The Author

（a）蛇形等离子体超材料单元图示。

（b）等离子超材料单元的模拟色散曲线。

（c-f）蛇形型元波导的损伤图示，受损元波导的电场和表面电流分布以及受损和完整元波导之间的传输系数对比。

（g）可拉伸元波导的机械应变模拟

（h）测量钢表面ATPA-EP和PDMS的粘合强度。

（i）ATPA-EP和金属结构之间的集成图示。

（j）制作的新型人工等离子体元波导的照片。

图四、未损坏元波导的测量 ©2022 The Author

（a）平面状态下元波导的实验照片。

（b）平面样品的测量S参数测量。

（c-d）元波导的近场分布测量照片及结果。

（e）元波导在不同变形状态下的照片。

（f-g）变形样品的透射系数和功率比较。

图五、抗损伤和自愈性能 ©2022 The Author

（a）部分损坏及愈合24小时样品的照片。

（b-c）部分损坏样品的透射系数及透射功率对比。

（d）完全损坏和愈合的样品的照片。

（e-f）完全损坏样品的透射系数及透射功率对比。

（g-i）新型人工等离子体元波导和微带线的抗损伤实验及性能对照。

图六、性能测试 ©2022 The Author

（a）基于新型人工等离子体元波导的人体网络测试环境概念图。

（b）波形传输实验的测量设备。

（c）损坏和变形的元波导的照片。

（d-e）元波导弯曲损坏及愈合后的波形信号。

（f）在USRP系统和可穿戴天线的帮助下，新型人工等离子体元波导的体内无线通信实验。

五、【前景展望】

通过ATPA-EP的环氧聚酰亚胺CAN作为基材，研究人员报告了一种通过将自愈合弹性体与蛇形几何等离子体超材料集成的自愈合和可拉伸的新型人工等离子体元波导。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，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。

文献链接：Stretchable and self-healable spoof plasmonic meta-waveguide for wearable wireless communication system (Light Sci Appl., 2022, 11, 307)

本文由赛恩斯供稿。