近年来，随着电磁波在雷达探测中的广泛应用，战场武器的生存能力面临严峻挑战。为了降低被探测概率，实现隐身效果，除了通过结构设计减小雷达散射截面（RCS）外，利用吸波材料衰减电磁波已成为关键技术。传统吸波材料带宽窄、效率低，难以满足现代需求。尽管超材料在一定程度上解决了这些问题，但其性能一旦制备即固定，无法动态适应不同雷达频率，尤其是在应对高频、高功率雷达探测时显得力不从心。
近日，南京理工大学廖文和教授提出了一种仿生可重构超材料，成功实现了高效宽带吸收与动态频率调谐的统一。该材料受蛾眼截锥形态启发，通过机械传动系统精准控制内部花瓣状结构的位移，不仅在2–40 GHz频段内保持90%以上的超宽带吸收，还能连续调谐至少六个高效率（≥99%）吸收峰，每个峰的调谐带宽超过3 GHz。该设计通过几何重构主动调控表面阻抗，显著降低宽带RCS，并实现对特定威胁频率的自适应深度抑制，还可通过编码驱动实现频率与幅度的二维调控，为新一代智能自适应隐身系统的发展提供了新路径。相关论文以“Agile Stealth: Bioinspired Metamaterials with Continuous Dynamic Tuning”为题，发表在Advanced Materials；上，论文第一作者为Wang Gang。
研究团队通过扫描电子显微镜观察蛾眼结构，发现其表面由周期性凸起微结构组成，进而仿生构建了截锥结构模型。基于等效介质理论，该结构被划分为多层薄片，每层的等效阻抗呈梯度变化，有效抑制了电磁波反射，实现了优异的宽带吸波特性。图1展示了该超材料的仿生设计与可调性能：在初始状态下，结构分段后反射损耗（RL）显著提升，在2–40 GHz范围内RL优于–10 dB，相对吸收带宽高达180.95%。通过调节花瓣结构高度，多个共振峰可实现连续频移，同时保持宽带吸收性能。此外，该材料对极化角和斜入射角均表现出良好的不敏感性，在TE和TM模式下均能保持稳定吸收。
图1. 宽带与可重构设计。（a）仿生宽带设计与可调频点设计；（b）可重构吸波超材料结构；（c）平板、梯度设计与结构分段后的反射损耗（RL）曲线对比；（d）不同位移下的RL对比；（e）共振频点移动曲线；（f–h）初始状态下TE与TM极化波在不同极化角与斜入射角下的RL曲线。
图2从材料与结构层面揭示了电磁损耗机制。该超材料采用碳黑/聚乳酸（CB/PLA）复合材料通过熔融沉积成型（FDM）制备，其电磁损耗以电导损耗为主，极化弛豫为辅。SEM图像显示碳黑颗粒均匀分布于PLA基体中形成导电网络，增强了损耗能力。结构上，梯度截锥设计优化了阻抗匹配，花瓣结构抬升后进一步改善了表面阻抗，使更多电磁波进入结构内部并发生多次反射与能量耗散。图2e展示了不同共振频点下的能量损耗分布，揭示了宽带吸收的能量叠加机制与调谐后的能量转移现象。
图2. 电磁吸波机制。（a）复合材料的复介电常数与磁导率；（b）复合材料的Cole–Cole曲线；（c）复合材料的SEM表征；（d）材料与结构的多尺度损耗机制；（e）d = 0 mm 和 d = 5 mm 状态下部分共振点的能量损耗分布。
为实现花瓣结构的精准自主动态调控，研究团队设计了螺纹-螺杆-齿轮传动系统（图3a），将旋转运动转换为线性位移，响应时间短于1秒。实验结果表明，驱动结构的集成未影响电磁性能，实测RL曲线与仿真高度一致（图3d）。在不同抬升状态下，材料仍保持2.3–40 GHz范围内的宽带吸收，且多个共振峰可实现至少3 GHz的频移，同时保持RL优于–20 dB（吸收率＞99%）。
图3. 驱动器设计与实验验证。（a）螺纹-螺杆-齿轮传动结构设计；（b）集成驱动结构前后的RL曲线；（c）拱形法测试系统与不同状态下的结构样品；（d）初始状态下垂直入射仿真与实验RL曲线对比；（e）不同状态下的实验结果；（f）频点移动统计。
图4进一步展示了该超材料在工程应用中的潜力。将其覆盖于标准板与飞机模型表面，在初始状态下即可在2–40 GHz频段实现10 dB以上的RCS减缩，在共振点处减缩量可达30 dB。通过调节花瓣状态，可在特定频率（如8.9 GHz）进一步降低RCS约15 dB。结合自动控制系统，可实现针对不同雷达频率的自适应隐身（图4d）。在飞机模型应用中，该材料在不影响气动性能的前提下，实现了上下表面20 dB以上的RCS减缩，并在前向进一步优化低散射性能。
图4. 可调RCS特性。（a）标准板与角度坐标系示意图；（b）不同状态下标准板垂直入射RCS曲线；（c）水平极化下8.9 GHz处不同θ角的RCS；（d）可重构超材料的自动控制流程；（e–f）飞机在11.4 GHz与8.9 GHz处上下与前向的RCS（水平极化）。
通过编码控制多个单元协同运动，该超材料还可实现频率与幅度的联合调制（图5）。当单元同步或差分运动时，既可实现共振峰的频移，也可调节吸收强度。例如，在[d, 0, 0, 0]编码状态下，共振频带O₁内的RL在–22至–35 dB之间变化；而[d, d, d, 0]状态下，共振峰频移明显，且通过调节单元高度仍可实现幅度调制。实验验证了仿真结果的准确性，展现了其在智能隐身、电子欺骗与分布式传感中的潜力。
图5. 可调编码设计。（a）2×2单元部分编码结构形式；（b–d）分别为[d, 0, 0, 0]、[d, d, d, 0]和[d₁, d₂, d₃, d₄]编码状态下的部分RL曲线；（e–g）对应编码状态下的部分结构样品与实验曲线。 图6. 性能对比。（a）本工作与其他宽带可调吸波超材料的带宽对比；（b）本工作与其他频点可调吸波超材料的调谐效果对比。
综上所述，该研究通过仿生设计与机械重构相结合，成功实现了超宽带吸收、多频点连续调谐、R动态控制与编码编程一体化，为下一代高性能电磁隐身平台与多功能器件提供了创新解决方案。与现有可调超材料相比，该设计在吸收带宽、调谐频点数、调谐范围与频段覆盖方面均具有显著优势（图6），展现出广阔的应用前景。
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