自適應(yīng)3D打印鎳鈦合金天線為軍事和空間研究開辟了可能性

南極熊導(dǎo)讀：在無線通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、無線電通信和科學(xué)研究領(lǐng)域，天線一直是不可或缺的組成部分。它們的核心功能在于接收或發(fā)射電磁波。盡管天線技術(shù)已經(jīng)取得了顯著進(jìn)步，但它們長期以來一直受限于剛性設(shè)計(jì)，這限制了它們的多功能性和應(yīng)用范圍。

2024年12月25日，南極熊獲悉，約翰霍普金斯應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室（APL）的研究人員正在打破這一傳統(tǒng)，通過先進(jìn)的3D打印技術(shù)與形狀記憶合金，致力于開發(fā)能夠根據(jù)溫度變化獨(dú)立變形的天線。

這項(xiàng)研究于2019年啟動，目標(biāo)是通過3D打印技術(shù)與先進(jìn)的材料科學(xué)，開發(fā)出能夠動態(tài)適應(yīng)不同無線電頻率的天線。這些可變形天線的出現(xiàn)，有望為軍事和太空探索領(lǐng)域帶來前所未有的靈活性和功能性。

△研究題目為“雙向增材制造形狀記憶合金寬帶可重構(gòu)復(fù)合天線”（傳送門）

APL的研究團(tuán)隊(duì)由Jennifer Hollenbeck領(lǐng)導(dǎo)，她從科幻系列《蒼穹浩瀚》中汲取靈感，例如，外星技術(shù)能夠根據(jù)需要改變形狀。Hollenbeck解釋說：“在我的職業(yè)生涯中，我一直在研究天線，并且一直在努力克服天線固定形狀所帶來的限制。我知道APL擁有將理論轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新解決方案的專業(yè)知識和能力�！�

△自適應(yīng)3D打印鎳鈦合金天線的三種狀態(tài)，中間圖片示例呈現(xiàn)為變形狀態(tài)

3D打印突破形狀記憶合金天線創(chuàng)新

天線采用鎳鈦合金（又稱鎳鈦諾），這是一種廣泛使用的形狀記憶合金。這種材料具有在加熱至特定溫度后恢復(fù)原始形狀的特性，非常適合需要適應(yīng)不斷變化條件的應(yīng)用。然而，3D打印鎳鈦合金帶來了一系列挑戰(zhàn)，特別是在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印過程中，材料可能會因熱反應(yīng)而變形。Hollenbeck指出：“這確實(shí)是一個(gè)設(shè)計(jì)上的難題，而且最初的結(jié)果并不如預(yù)期。”

△呈現(xiàn)變形過程中的天線狀態(tài)

通過一系列的實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化，研究團(tuán)隊(duì)克服了這些挑戰(zhàn)，成功制造出第一款加熱后可從平面螺旋形轉(zhuǎn)變?yōu)閳A錐形的天線。此外，他們還采用了一種新型導(dǎo)電材料，確保天線在達(dá)到所需溫度時(shí)性能不受影響。增材制造工程師Samuel Gonzalez解釋道：“我們在優(yōu)化合金的加工參數(shù)和設(shè)計(jì)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但此次的挑戰(zhàn)更進(jìn)一步。目前，這種材料的3D打印應(yīng)用相對較少，因此我們?nèi)狈Τ墒斓募庸っ卦E。”

同事Mary Duflo補(bǔ)充說：“我們在打印機(jī)中制造了幾次碎片，因?yàn)樘炀�在打印過程中會因熱量而變形，導(dǎo)致它們從構(gòu)建平臺剝落�！�

展望未來，這種柔性天線為軍事行動開辟了新的可能性，因?yàn)樗�可以現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)動態(tài)通信。由于具備出色的適應(yīng)性，這種天線還可以覆蓋電信和工業(yè)領(lǐng)域的多種移動網(wǎng)絡(luò)，特別是能夠更好地適應(yīng)短距離和長距離通信之間的切換。另一個(gè)潛在的應(yīng)用領(lǐng)域是太空探索，作為太空任務(wù)的自適應(yīng)解決方案。