今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及由超透镜实现的穿墙无线通信,微柱表面提高love波传感器的灵敏度,本体感知3D结构机器人超构材料的设计和打印等敬请期待！
索引：
1.由超透镜实现的穿墙无线通信
2.图化基底上声学拓扑边界模式的微波阻抗显微成像
3.微柱表面提高love波传感器的灵敏度
4.旋转驱动的无线两栖折纸机器人
5.本体感知3D结构机器人超构材料的设计和打印
1.由超透镜实现的穿墙无线通信
现代无线通信技术，例如蓝牙、Wi-Fi和蜂窝网络极大地改变了人们的日常生活。最近5G蜂窝网络和5-GHz Wi-Fi技术的发展显著提高了带宽和连接速度、此外，延迟低，容量大，但随之而来的费用成本也在增加。特别是，当无线信号穿过建筑物的墙壁时，由于波长短，带来的衰减大；因此相邻房间接收到的信号相差较大。为了克服这种衰减，一种方法是进一步增加辐射功率，但是它将消耗更多的电力，并带来对健康造成影响等问题，从而违背了更环保、更可持续的基础设施建设的初衷。Wi-Fi扩展器等设备在一定程度上可以解决这个问题，然而，这是有限度的。简而言之，要想提高无线信号的穿墙效率，就不得不花费更大的代价。超表面提供了一种潜在的解决上述挑战的可行方案。作为一种亚波长人工结构，超表面由于能够在广泛的范围内操纵电磁波而受到科研人员的极大关注。目前基于超表面，许多有趣的现象和器件被展现出来，例如异常反射和折射，高效全息图，超薄隐形斗篷，矢量光场的产生、超透镜和编码超表面等等。
近日，南京大学物理学院赖耘教授团队有针对性地提出了一种穿墙无线通信方案。为墙壁的不对称背景介质设计了被动超透镜。超薄超透镜由三层金属图案组成，用于高效的将入射波聚焦到墙体的另一侧。通过扫描电场的空间分布来验证聚焦效果。由于聚焦效应，透射过墙体的无线信号强度显着增强。此外，为了验证其在 5-GHz Wi-Fi 环境中的使用，研究人员证明了该超透镜可以重新连接由于信号强度较弱而中断的网络通道，因此，显着提高了数据传输速率。该研究工作为未来在环保建筑中维持良好的无线通信提供了一种新的方法。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷）
文章链接：
Xiangdong Meng, et al. Through-Wall Wireless Communication Enabled by a Metalens, Physical Review Applied,(2022).
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.17.064027.
2.图化基底上声学拓扑边界模式的微波阻抗显微成像
自从量子霍尔效应(QHE)的发现以来，电子态的拓扑方面引起了人们的广泛关注。拓扑电子态最突出的性质之一是边界态或表面态的形成。例如，在二（三维）拓扑晶体中，即使费米能量位于能量隙中，边界（表面）也会导电。这些异常特性，包括沿边界（表面）的稳健的单向输运，被认为是拓扑电子态的标志。拓扑学的概念并不局限于电子态，而是只针对其他布洛赫态，如光子、马格纳子和声子。对于这些玻色子量子波，拓扑边缘态作为一个低耗散波导，提供了重要的应用潜力。
特别重要的可能是声子，因为它携带声音和热。热的控制是解决能源相关问题的最重要的问题之一。声波在现代社会中也得到了广泛的应用。在各种声学器件中，声表面波(SAW)器件已经成为通信设备和化学/生物传感器的重要组成部分，而声波的可控性有助于其进一步发展。为此，在声电子学领域，人们对实现各种特性进行了深入的研究，如负折射、隐身和整流。特别是，具有周期与波长相当的人工周期结构的声子晶体(PnC)，已经被发展来实现这种性质。该方法可应用于拓扑声子性质的研究。
在从KHz声波到THz热声子的宽声子谱中，拓扑研究进展最突出的进展是在KHz范围内的空气声波。由于kHz声波的波长相对较长，因此可以制备具有厘米尺度周期性的拓扑声子晶体。因此，各种拓扑声学相位在kHz区域迅速实现，包括Zak相、QHE相、量子自旋霍尔效应、谷霍尔效应、高阶拓扑态和weyl半金属态。与这些低频系统相比，只有少数实验成功实现了工作在更高频率下的拓扑声态，如MHz和GHz，这主要是由于制作更小的拓扑器件和观察拓扑传输的技术困难。然而，在这些高频率下，特别是在GHz范围内，实现拓扑声学特性似乎很重要，因为这些频率与商业电信频率是兼容的。最近，随着微波阻抗显微镜(MIM)的使用，Zhang等人在一个freestanding膜上制备的二维PnC中观察到1 GHz声波的拓扑边界态。然而，这种结构的制造过程对于实现实际的器件是很麻烦的。
近日，日本东北大学的Y. Onose教授团队研究了LiNbO3衬底上由金属纳米柱组成的蜂窝声子晶体的声学拓扑边界模。声波能带计算表明，尽管蜂窝声子晶体与衬底内部声波模式杂化，但蜂窝声子晶体的边界仍存在着拓扑表面声波模式。微波阻抗显微镜实现了GHz拓扑边界模式的清晰可视化。一幅频率相关的图像显示，由于带隙的形成，边界模式随着体SAW模式的抑制而演变，这与拓扑性质一致。这种拓扑波导的简化制造方法将更适用于实际器件。相关工作发表在《 arxiv》上。（郑江坡）
文章链接：
https://arxiv.org/abs/2206.02318
3.微柱表面提高love波传感器的灵敏度
过去十年见证了传感器和生物传感器的快速发展，包括给食品加工、医疗诊断、生物传感和军事防御等领域带来大量应用。特别是基于声表面波(SAW)的微传感器，因其具有良好的成本效益和对细胞和生物分子的实时监测能力而备受关注。微加工和表征技术的快速发展使SAW传感器的高效使用成为可能，因为它们可以小型化并嵌入到芯片实验室中，这将SAW的功能从感知扩展到使用声波镊子、流体转向和混合的细胞操作。在生物传感的情况下，使用了一种特殊类型的SAW，被称为Love波，它是沿着沉积在基板表面的有限厚度材料层引导的表面弹性波。只有当层剪切体波的速度小于基底的速度时，才可能存在Love波。与沿矢状面极化的瑞利波相反，Love波在垂直于表面的方向上没有位移，具有剪切水平极化。这一特性使得Love波在与表面接触的液体和粘性环境中更适合于化学和生物传感，因为Love波传播衰减小，对液体环境的声能辐射较弱。一般来说，Love波微传感器是在石英、铌酸锂(LiNbO3)或钽酸盐(LiTaO3)等压电基板上使用聚合物层(如SU-8)制造的，并使用数字间换能器（IDT）利用正向和反向压电效应产生和检测波信号。生物传感薄层沉积在表面，因此任何生物分子的吸附都会引起生物传感层的质量和粘度的变化，从而导致相速度和/或波的振幅的变化。尽管努力提高SAW器件的传感性能，但它们在灵敏度方面已经达到了极限，因为它们难以与基于等离子体超材料和光力学的最新技术竞争，这些技术能够检测单分子和纳米颗粒。
近日，法国洛林大学的Frédéric Sarry教授团队在这项工作中，提出了一个基于love波的传感平台，该平台利用了在导向层表面制造的微柱的局部共振。通过数值和实验证明了love波与微柱的相互作用在透射谱中产生了急剧的衰减下降。这些倾角与柱的弯曲和扭转共振模态的激发有关。作者利用这些模式来实现更高的糖和温度变化和微珠浓度的检测灵敏度。将微柱晶格集成到基于声表面波的器件中，为检测低粒子浓度提供了强大的潜力。相关工作发表在《 PHYSICAL REVIEW APPLIED》上。（郑江坡）
文章链接：10.1103/PhysRevApplied.17.064024
4.旋转驱动的无线两栖折纸机器人
毫米级折纸机器人可以在狭窄的空间中进行无线操作，并根据特定任务改变形状，在生物医学方面（如疾病诊断、靶向药物输送和微创手术）展示出巨大潜力。现有的毫米级折纸设备通常需要单独的几何组件来实现运动和功能，这增加了系统的复杂性。此外，大多数折纸机器人表现出有限的运动模式，并没有同时在地面和水中运动。这使得现有机器人难以适应复杂、无结构的地面和水环境，如生物医学常见的环境。基于滚动、翻转和旋转运动，速度快、效率高，广泛用于在地面或水中快速平移运动。与小规模柔性机器人系统中常见的爬行、蠕动和行走等运动机制相比，球体和多面体等高度对称结构的滚动提供了高效快速的地面运动。此外，与对称性较差的系统相比，高水平的结构对称性使全方位运动的转向更加顺畅，而对称性较差的系统通常需要额外的步骤来改变其运动方向。旋转也会产生最有效的水推进，由设计的螺旋桨实现，其叶片径向延伸并旋转以在水中施加线性推力。虽然旋转运动有效地促进了地面和水中的运动，但由于不同的运动机制，需要不同的结构设计。对于小型应用（生物医学），远程驱动的两栖微型机器人可以更好地利用和集成地面和水中的旋转运动，尤其是在受限的混合环境中非常有益。
近日，美国斯坦福大学赵芮可教授团队报告了一种磁驱动的两栖折纸微型机器人，该机器人集成了可旋转的多模式移动、液体药物输送和货物运输以及无线操作的能力。这种折纸微型机器人打破了传统的折纸折叠仅用于形状重构的方式，将多种功能集成到一个简单的身体中。折纸的几何特征可用于在各种工作环境中产生全方位运动，包括在非结构化地面上、液体中以及通过滚动、翻转和旋转诱导推进在气液界面上。折纸的折叠/展开能力被用作液体药物控制输送的泵送机制。此外，旋转运动为有针对性的固体货物运输提供了吸力机制。多模式移动和集成功能的能力使微型机器人成为生物医学诊断和治疗的潜在微创设备。相关研究发表在《Nature Communications》上。（徐锐）
文章链接：
Ze, Q., Wu, S., Dai, J. et al. Spinning-enabled wireless amphibious origami millirobot. Nat Commun 13, 3118 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41467-022-30802-w
5.本体感知3D结构机器人超构材料的设计和打印
增材制造技术的进步使得制造具有超高刚度和损伤容限、奇异力学行为、负热膨胀系数、流体控制和波传播的材料成为可能。然而，由于大多数增材制造技术都集中在单一材料上，构建电子和多功能材料及其组合的潜力仍然难以捉摸。设计的功能材料可以提供奇异和可重构的特性。目前，很少有结构材料具有生物系统的复杂性，即传感、驱动和控制紧密结合在一起。压电材料能够将电场转化为机械应变，反之亦然，是机器人系统中提供传感和驱动功能的理想选择。广泛应用于精密驱动器、机械手、加速度计和触觉传感器。为了在机器人系统中使用压电材料作为传感器，制造过程必须涉及广泛的加工和组装步骤。这些制造路线通常只加工固体压电材料，无法精确地对电极进行图形化，因此难以减轻驱动元件的重量并在小范围内激活双向压电效应。增材制造技术已经加速了复杂的超构材料的制造，用多功能超构材料建造的机器人具有一定的优势。机器人超构材料通过在超构材料的周期性结构中构思自主性来挑战这种模式。
近日，美国加州大学洛杉矶分校郑小雨教授团队报道了一种设计和制造路线，以创建一类机器人超构材料，该超构材料能够在多个自由度的运动中，在电场的作用下，在规定的方向上放大应变（反之亦然），从而通过自感测和反馈控制编程运动。这些机器人超构材料由压电、导电和结构元素组成的网络交织成预先设计的3D晶格，由此产生的结构材料就像主动感知和移动的本体感知微型机器人，可以执行一些机器人任务。这些多功能超构材料显示了无数的应变模式，包括扭转、弯曲、复合、解耦和放大应变。这种微结构设计超越了天然压电晶体的局限性，压电应变依赖于现有的天然晶体结构。该设计策略可与拓扑优化算法相结合，生成任意压电张量。所得到的超构材料模块具有毫米到厘米的尺寸，能够输出具有高阻挡力的多自由度运动，以及感知接触和远程刺激。这种设计框架和制造方法对未来微型机器人、传感器和机器人材料的发展有直接的影响，通过简化的人工材料将有可能实现理想的运动和决策。相关研究发表在《Science》上。（徐锐）
文章链接：
H. Cui, D. Yao, R. Hensleigh, et al. Design and printing of proprioceptive three-dimensional architected robotic metamaterials[J]. Science, 2022, 376(6599): 1287-1293.
DOI: 10.1126/science.abn0090
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除），所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
