柔性射頻技術是近年來飛速發展的一項前沿技術，在柔性可穿戴設備、人形機器人等領域具有重要的應用前景。

作為構成柔性射頻系統最基本的器件，柔性平面微波傳輸線的性能對結構變化非常敏感，輕微結構變形就有可能導致其電磁性能出現急劇下降，從而嚴重影響射頻信號傳輸。然而，可穿戴的柔性設備不可避免地會經受長時間的彎折、扭曲，柔性平面微波傳輸線的損壞變形會給整個可穿戴系統的穩定性帶來巨大隱患。因此，如何保證射頻信號在柔性可穿戴系統中穩定、可靠地傳輸，是目前柔性射頻技術領域亟待解決的重大挑戰之一。

近日，東南大學柔性射頻技術研究中心陸衛兵教授團隊與智能材料研究院、化學化工學院李全院士團隊和南京大學配位化學國家重點實驗室李承輝教授團隊合作，在自修復柔性微波波導方面取得了重要進展。他們提出并實現了一種新型柔性可拉伸微波波導，該柔性波導具備優異的穩定性和室溫自修復功能，為未來柔性可穿戴射頻器件與系統的設計制造提供了全新思路。

該成果以“Stretchable and self-healable spoof plasmonic meta-waveguide for wearable wireless communication system”為題發表在Light: Science & Applications。論文通訊作者為東南大學陸衛兵教授、李全院士和南京大學李承輝教授。第一作者為東南大學博士生于步云，南京大學碩士生樂德偉為共同第一作者。其他貢獻者包括南京大學博士生侯可心，東南大學博士生居璐、博士后陳昊、碩士生丁聰，和管英士教授、劉震國教授以及代云茜教授等。該工作得到了國家自然科學基金委杰出青年科學基金、面上基金項目，中央基本科研業務費前沿科學中心、江蘇省雙創團隊、江蘇特聘教授及紫金山實驗室等資助。

基于自修復彈性體和可拉伸人工表面等離激元超材料的新型波導相關機理如圖1所示。研究團隊基于動態亞胺鍵設計了一種兼具高強度、良好柔韌性以及室溫自修復能力的彈性體基底。與其他線性結構自修復材料不同，該基底因其自身動態三維交聯網絡結構而具有較低的蠕變性，從而保證了射頻器件形態的長期穩定性。將該基底在室溫下完全切斷后再將斷面拼接，其可在24小時內恢復至原有力學強度。同時，由于環氧基團的存在，該基底與金屬結構表面之間具有良好的黏合力，這極大地方便了器件的制造與組裝。

圖1. 自修復柔性可拉伸人工表面等離激元波導示意圖。

在實際應用中，破損后處于動態變化的彈性基底或許不能實現平整完美的裂口修復效果，自修復過程本身也需要一定的時間。為了時刻維持無線通信質量，需要射頻器件結構本身也具備抗損壞、抗變形的性能。為此，研究團隊提出了一種基于可拉伸蛇形金屬結構的新型人工表面等離激元波導結構，該波導結構在不犧牲電磁性能的前提下展現出了優異的拉伸、扭曲性能。與傳統平面微波傳輸線相比，得益于人工表面等離激元獨特的場分布，該波導對金屬結構和基底的損傷變形有著更高的耐受能力。自修復材料可實時修復損傷維持器件結構的力學強度，而人工表面等離激元結構可在損傷變形的情況下維持良好的電磁性能，二者的特性相輔相成互為補充，從而實現了極佳穩定性和耐久性的新型微波波導。

作為功能驗證，研究團隊制造了自修復柔性可拉伸人工表面等離激元波導，并進行了相應測試（圖2）。

測試結果證明，即使發生結構破損并彎折、扭曲變形，該新型波導仍能維持可靠的電磁波傳輸，而且在自修復完成后，電磁波傳輸性能幾乎可以恢復至初始狀態。同時，利用軟件無線電模擬柔性可穿戴電子系統并搭建了一個人體網絡測試環境。在實驗中，該波導被放置于人體手肘部位，連接軟件無線電系統發送端，電磁波經手肘部位的波導器件后由可穿戴天線向體外發射，最終被軟件無線電系統接收并還原。實驗證明，手肘的運動不會使傳輸信號產生失真。無論手肘部的波導器件是否被彎曲、扭轉，或者受到一定程度的結構損傷，無線通信質量都不會受到明顯影響。實驗結果證明了自修復柔性可拉伸人工表面等離激元波導優異的穩定性和耐久性。

  論文信息  

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

文章來源：中國光學