自適應3D打印鎳鈦合金天線為軍事和空間研究開辟了可能性

南極熊導讀：在無線通信、導航、雷達、無線電通信和科學研究領(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)取得了顯著進步，但它們長期以來一直受限于剛性設計，這限制了它們的多功能性和應用范圍。

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

這項研究于2019年啟動，目標是通過3D打印技術(shù)與先進的材料科學，開發(fā)出能夠動態(tài)適應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)復合天線”（傳送門）

APL的研究團隊由Jennifer Hollenbeck領(lǐng)導，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原始形狀的特性，非常適合需要適應不斷變化條件的應用。然而，3D打印鎳鈦合金帶來了一系列挑戰(zhàn)，特別是在復雜結(jié)構(gòu)的打印過程中，材料可能會因熱反應而變形。Hollenbeck指出：“這確實是一個設計上的難題，而且最初的結(jié)果并不如預期�！�

△呈現(xiàn)變形過程中的天線狀態(tài)

通過一系列的實驗和優(yōu)化，研究團隊克服了這些挑戰(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電材料，確保天線在達到所需溫度時性能不受影響。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)和設計方面積累了豐富的經(jīng)驗，但此次的挑戰(zhàn)更進一步。目前，這種材料的3D打印應用相對較少，因此我們?nèi)狈Τ墒斓募庸っ卦E�！�

同事Mary Duflo補充說：“我們在打印機中制造了幾次碎片，因為天線在打印過程中會因熱量而變形，導致它們從構(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，因為它可以現(xiàn)場實現(xiàn)動態(tài)通信。由于具備出色的適應性，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，特別是能夠更好地適應短距離和長距離通信之間的切換。另一個潛在的應用領(lǐng)域是太空探索，作為太空任務的自適應解決方案。