基于液态金属的多比特编码可重构超材料及其控制方法
阅读说明：本技术 基于液态金属的多比特编码可重构超材料及其控制方法 (Multi-bit coding reconfigurable metamaterial based on liquid metal and control method thereof ) 是由 许诺 李平 臧金良 安灵椿 汪震海 张涵 于 2021-05-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于液态金属的多比特编码可重构超材料及控制方法,由多个子阵单元在同一平面内排列形成,通过张角重构实现电磁响应调控；子阵单元是由张角变化的一个或多个液态金属单元组成,液态金属单元包括针对电磁波响应特性设计的微流道结构及内部填充的液态金属,以实现液态金属流动并调控其状态,液态金属单元通过液态金属流动改变其张角变化,从而实现不同工作性能。本发明采用开口谐振环结构单元并结合流道结构设计,通过液态金属流动控制重构超材料的连续流动状态,实现张角的连续变化；不同张角单元结构对应不同响应频率及相位特性,不同结构形态单元间阵列排布,多个子阵单元组合实现多比特编码,调控电磁波响应的相位、频率等。(The invention discloses a liquid metal-based multi-bit coding reconfigurable metamaterial and a control method, wherein a plurality of sub-array units are arranged in the same plane, and electromagnetic response regulation and control are realized through field angle reconfiguration; the subarray unit is composed of one or more liquid metal units with variable opening angles, each liquid metal unit comprises a micro-channel structure designed according to electromagnetic wave response characteristics and liquid metal filled in the micro-channel structure to achieve flowing of the liquid metal and regulate and control the state of the liquid metal, and the opening angles of the liquid metal units are changed through flowing of the liquid metal, so that different working performances are achieved. The invention adopts the open resonant ring structure unit and combines the flow passage structure design, and the continuous flow state of the reconstructed metamaterial is controlled through the flow of the liquid metal, so as to realize the continuous change of the opening angle; different field angle unit structures correspond to different response frequencies and phase characteristics, different structural form units are arrayed, and a plurality of subarray units are combined to realize multi-bit coding and regulate and control the phase, frequency and the like of electromagnetic wave response.)
技术领域
本发明属于超材料
技术领域
，具体而言，涉及一种基于液态金属的多比特编码可重构超材料及其控制方法。背景技术
超材料作为一种可设计的人工阵列结构材料，具有天然材料所不具备的超常物理性质。由于其材料结构属性的可人工设计性，能够通过设计合适的结构实现对材料性能、电磁波响应的灵活操控，使得在伪装隐身技术、通信技术、传感技术等领域取得了快速的发展和应用。常规超材料结构在设计、加工完后其材料属性及对电磁波的响应特性就已固定，不能随环境变化而改变材料属性，即无法实现性能的“动态化”。
因此，在利用超材料优异性能的同时，实现材料结构属性与电磁波响应具有可调节性，是超材料研究的热点。近年已经研究出采用导电高分子材料、液晶分子、MEMS静电结构、二极管等技术途径主动改变超材料结构特征，实现对电磁波响应的调节。但导电高分子材料的电导率和介电常数可调控范围仍然较小，同时，调控稳定性难以保证；液晶分子依据分子在不同电场下的取向实现电磁参数调节，但具有调控宽度较窄、调控响应时间较长等问题；MEMS静电结构难以满足宽带需求，并且大规模应用将带来结构可靠性问题；另外，二极管调节状态有限、非线性效应明显、宽带调节能力不足。因此，利用常规超材料阵列虽然能够实现对电磁波响应的动态调控，但仍面临调控状态有限、连续调节能力不足、柔性化功能有待提升等问题，特别是上述方式针对同一单元通常能实现的状态调节比特有限、可调带宽较窄，对于较多编码状态(大于2比特)，则需要采用更多数量的调控器件，所需要的控制线路更多，给超材料本身电磁性能及控制系统带来影响。
发明内容
本发明旨在提供一种基于液态金属的多比特编码可重构超材料及其控制方法，从本质上提升了常规超材料性能，进一步拓展了应用范围，可应用于微波、太赫兹等波段的超材料，应用于动态伪装隐身、可重构通信等领域。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于液态金属的多比特编码可重构超材料，由多个子阵单元在同一平面内排列形成，并通过张角的重构实现电磁响应的调控；其中，每个子阵单元是由张角变化的一个或多个液态金属单元组成的阵列结构，所述液态金属单元包括针对电磁波响应特性设计的微流道结构以及填充在所述微流道结构内的液态金属，微流道结构用以实现液态金属流动并调控所述液态金属的状态，以使得液态金属单元通过液态金属流动改变其张角变化，从而实现不同的工作性能。
根据本发明，所述子阵单元是由张角变化的一个或多个开口谐振环结构单元并排组成的阵列结构；或者所述子阵单元是由一个或多个十字形、一字型、双C型结构单元并排组成的阵列结构。
根据本发明，所述子阵单元为多个相同构型微流道结构和/或不同构型微流道结构组成的阵列。
根据本发明，同一所述子阵单元的张角一致。优选地，所述液态金属单元内的液态金属流动重构张角变化为对称变化或者为固定一端结构的非对称变化。
根据本发明，所述张角的变化状态通过软硬件系统控制液态金属流动实现；所述液态金属在流动结构中的驱动控制方式为电驱动和/或压力驱动。
根据本发明，所述硬件系统用于驱动液态金属的流动响应；所述软件系统包含控制算法，用于调控子阵单元的液态金属的张角大小。
根据本发明，驱动控制电路集成在微流道结构下方且与其隔绝，每个液态金属单元集成有驱动控制电路的控制电极，在控制算法作用下，每个液态金属单元中的液态金属流动能够单独控制。
根据本发明，所述开口谐振环结构单元制备在位于下端的柔性介质层基底和上端的柔性密封盖板之间，所述柔性密封盖板固定并覆盖在液态金属单元上侧，以实现可重构超材料结构的整体封装。
根据本发明，所述柔性介质层基底中设有微流道结构，所述液态金属填充在微流道结构中形成液态金属单元，填充后的所述柔性介质层基底实现支撑液态金属。
根据本发明，所述柔性密封盖板通过键合的方式固定在液态金属单元上侧。
根据本发明的另一方，还提供了一种多比特编码可重构超材料的控制方法，包括以下步骤：S1、将液态金属填充注入到微流道结构中，共同组成液态金属单元；S2、通过电压驱动或者压力驱动控制所述液态金属流动响应，整体实现液态金属在微流道结构中可流动控制；S3、在控制算法与驱动控制电路控制下，液态金属在微流道结构中连续可流动，具备多种流动响应状态，不同的工作状态组成多比特编码功能；S4、不同液态金属流动状态的子阵单元共同编码，实现对电磁波响应的调控。
本发明的有益效果：
1)本发明提出一种基于液态金属的多比特编码可重构超材料，采用开口谐振环结构单元并结合超材料单元的流道结构设计，通过液态金属流控重构超材料单元的连续流动状态，单一结构单元实现张角的连续多状态变化；不同张角的单元结构对应不同的响应频率及相位特性，在此基础上，不同结构形态的单元结构间阵列排布，多个子阵单元组合实现多比特编码，调控电磁波响应的相位、频率等参数，可应用于基于超材料的通信、伪装隐身、全息成像等领域。
2)本发明基于液态金属实现多比特编码能力，液态金属连续流动改变结构形态，液态金属不同的流动位置实现不同的工作状态，不同的工作状态代表多比特编码功能，并且单元的动态重构具有宽带响应特性。
附图说明
图1示意出了多比特编码可重构超材料的结构示意图。
图2示意出了多比特编码可重构超材料单元剖面示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合本附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。需要强调，此处描述的具体实施例仅用于更好的阐述本发明，为本发明部分实施例，而非全部实施例，所以并不用作限定本发明。此外，下面描述的本发明实施例中涉及的技术特征，只要彼此间未构成冲突，即可以相互组合。
本发明中所述的液态金属是指以镓基合金为代表的液态金属，由于具有良好导电性、常温下连续流动性、大变形以及可操控等特点，在柔性电子、柔性传感及可重构超材料等领域展现出优越的应用前景。
如图1-2所示，本发明提供了一种基于液态金属的多比特编码可重构超材料，是由多个子阵单元在同一平面内排列形成，并通过张角的重构实现电磁响应的调控；其中，每个子阵单元是由张角变化的一个或多个液态金属单元组成的阵列结构，所述液态金属单元包括针对电磁波响应特性设计的微流道结构以及填充在微流道结构内的液态金属，微流道结构用以实现液态金属流动并调控所述液态金属的状态，以使得液态金属单元通过液态金属流动改变其张角变化，从而实现不同的工作性能。
本发明的目的在于采用液态金属与流道结构代替常规可重构超材料采用的二极管、MEMS结构、相变材料等技术手段，通过操控液态金属在超材料阵列单元中的连续流动，实现开口谐振环结构单元多比特工作状态，多个动态可重构单元之间编码实现超材料结构属性动态重构及对电磁波响应的灵活调控，解决了二极管、MEMS结构、相变材料等技术途径对超材料编码位数有限、宽带调控待提升问题，从本质上提升了常规的超材料性能，进一步拓展其应用范围，实现了智能电磁伪装隐身、动态可重构通信等能力。本发明实现工作状态连续可动态重构、多比特可编码的超材料，以对电磁波响应实现数字化调控。
本发明提供的多比特编码可重构超材料，在工作中控制液态金属连续重构超材料单元的结构形态，同一单元结构同时实现多种工作状态，达到多比特编码功能，相互间可通过编码动态调控电磁波响应。超材料结构单元基于液态金属实现多比特编码能力，液态金属连续流动改变结构形态，液态金属不同的流动位置实现不同的工作状态，不同的工作状态代表多比特编码功能，并且单元的动态重构具有宽带响应特性。常规采用二极管的开关特性，超材料仅能实现有限的结构重构变化，即目前多采用的2比特编码形式。
优选地，所述子阵单元10是由张角变化的一个或多个开口谐振环结构单元并排组成的阵列结构；或者所述子阵单元10是由一个或多个十字形、一字型、双C型结构单元并排组成的阵列结构。本发明包括但不限于上述结构单元，只要是能够通过液态金属流控可实现的结构单元即可。
本发明采用基于开口谐振环结构单元的超材料，开口谐振环结构单元通过液态金属40流动改变其张角变化，张角变化实现不同的工作性能。液态金属40流动重构张角变化可以为对称变化，也可以为固定一端结构的非对称变化。
根据本发明，所述子阵单元10为多个相同构型微流道结构或不同构型微流道机构组成的阵列。张角变化的一个或多个开口谐振环结构单元组成阵列结构，形成子阵单元10。同一个子阵单元10的张角一致，不同子阵单元10的张角具有一定的差异或相同。多个子阵单元10排列整体形成编码超材料，通过张角的重构实现电磁响应的调控。
本发明的基于液态金属的多比特编码可重构超材料，通过开口谐振环结构单元的张角变化实现不小于1多比特编码功能，比特位数依据需求调节，理论可实现无限多位，多个不同张角的子阵单元共同组成编码可重构超材料，通过液态金属的微流动控制性质，在压力、电压、电磁作用下实现微流道结构中液态金属的驱动控制流动，实现超材料频率、相位的调控。
根据本发明，张角的变化状态通过软硬件系统控制液态金属流动实现，液态金属在流动结构中的驱动控制方式包括电压、压力等。硬件系统用于驱动液态金属的流动响应，软件系统包含控制算法，用于调控子阵单元的液态金属的张角大小。驱动控制电路集成在微流道结构下方且与其隔绝，每个液态金属单元40集成驱动控制电路的控制电极，在控制算法作用下，每个液态金属单元40中的液态金属流动可单独控制。
开口谐振环结构单元针对电磁波响应特性，设计微流道结构及其宽度、高度等参数。微流道结构用以实现液态金属流动并调控液态金属状态。微流道结构采用微纳加工工艺或传统机械加工工艺实现，微纳加工工艺包括光刻、纳米压印等工艺方法。超材料中的单元结构可为相同构型微流道组成的阵列，或为不同构型微流道组成的阵列。
如图2所示，开口谐振环结构单元制备在位于下端的柔性介质层基底21和上端的柔性密封盖板22之间，柔性密封盖板22固定并覆盖在液态金属单元上侧，以实现可重构超材料结构的整体封装。其中，柔性介质层基底21中包含微流道结构，液态金属填充后，柔性介质层基底21实现支撑液态金属。
优选地，柔性密封盖板22通过键合方式固定在液态金属单元40上端，实现超材料结构的整体封装，避免液态金属出现泄漏等问题。
根据本发明，多比特编码可重构超材料的控制方法步骤如下：将液态金属填充注入到微流道结构中，共同组成液态金属单元40；通过电压驱动或者压力驱动控制所述液态金属流动响应，整体实现液态金属在微流道结构中可流动控制。在控制算法与驱动控制电路控制下，液态金属在微流道结构中连续可流动，具备多种流动响应状态，不同的工作状态组成多比特编码功能。不同液态金属流动状态的子阵单元10共同编码，实现对电磁波响应的调控。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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