穿山甲不僅是一種國家保護動物，也是動畫片《葫蘆兄弟》中的角色，在該劇中為救二娃和老翁，穿山甲被蠍子精抓住掉下懸崖摔死，而很多人正是透過這部片子認識了穿山甲。
（來源：soogif）
而在最近，新加坡南洋理工大學華人科學家陳曉東教授團隊以穿山甲為靈感，
製備出一種穿山甲超鱗片。
（來源：Advanced Materials）
8 月 25 日，相關論文以《受穿山甲啟發的可伸縮的微波隱形亞鱗片》（Pangolin-Inspired Stretchable， Microwave-Invisible Metascale ）為題發表在Advanced Materials上。
陳曉東告訴 DeepTech，近年來，微波隱形裝置技術廣泛應用於軟體機器人、變形結構、形貌偽裝和電子對抗中。不幸的是，由於傳統微波吸收結構受拉伸能力的限制，大大限制了它在可變形或異形目標上的應用。
為克服這些侷限性，同時受穿山甲的啟發，
陳曉東教授團隊提出一種軟-硬連線策略——超鱗片結構
。
這種以穿山甲為靈感的超鱗片（PIMS，Pangolin-inspired metascale），是一種由電磁耗散鱗片（electromagnetic dissipative scale）和彈性體組成的可拉伸超結構。
在 50% 拉伸的干擾下，該裝置表現出較強的微波吸收能力。此外，得益於電磁耗散鱗片的覆蓋效應和尺寸限制效應，穿山甲超鱗片的面外壓入失效力有巨大的提升。
陳曉東教授表示：“我們提出的結構為一大批可拉伸的複雜表面共形結構和微波隱形器件開闢了一條新道路。”
（來源：Advanced Materials）
打破可拉伸限制
可伸縮材料的不斷髮展，讓軟體機器人、變形結構和形貌偽裝技術得到了快速發展，這進一步提高了可拉伸的微波隱形材料在電子對抗應用中的需求。
而柔性微波隱形結構的應用範圍也得到了擴充套件，特別是在柱面、錐面和切線曲面等可展曲面的應用中。但是，對於更復雜的目標應用場景，可拉伸的結構是不可替代的。
然而，目前的微波隱形材料主要基於拉伸受限吸波超結構、以及粉末基吸波材料，這並不能滿足可拉伸性的要求。
此外，微波吸收超結構一般由三層組成：週期性排列的導電圖案層（ECP）、介電間隔層和完美導體層（PEC）。為保持導電圖案几何性質和物理效能的穩定性，人們一般選擇剛性材料作為介電層，這極大地阻礙了整個器件的可拉伸性。
粉末吸收材料是被研究最多的微波吸收材料，這是一種利用電損耗和磁損耗材料吸波的熱點材料，正在引起人們的廣泛關注。
但是，大多數報道的粉末吸收劑需要進一步加工成塊體結構，以形成固體緻密的體狀方式，這明顯限制了達到可拉伸性標準的機會。
（來源：Advanced Materials）
一直以來，微波隱形材料經常被用作目標外的功能性覆蓋層，目的是保護目標不被探測到。
科學家們一直從大自然獲取靈感，這次陳曉東將目光投入到穿山甲中，這種動物屬於穿山甲目，面板上有一層保護性的角蛋白鱗片，這些鱗片相互重疊，形成一個不可穿透的盾牌，在受到捕食者的威脅時保護自己。
同時，將鱗片連線在一起的重疊關節使身體具有相當大的靈活性。這種連線機制本質上保留了剛性鱗片的優點和柔性面板的優點。因此，穿山甲鱗片的連線方法，可以給製造可拉伸和微波隱形器件提供啟示。
為此，受穿山甲的啟發，陳曉東教授團隊提出了一種新型軟-硬連線策略。
當把剛性鱗片以週期性的方式，安裝在可拉伸的基底上，每個鱗片與其相鄰的鱗片互有重疊。
這種可拉伸結構，讓整個裝置具有較高的拉伸能力和柔性變形能力。而且，重疊鱗片具備變形免疫的特性，在結構變形時鱗片的幾何尺寸和相關特性都可保持不變。
此外，這種重疊的剛性鱗片，也能保護可拉伸基底免受面外穿刺損傷。
利用這一策略，該團隊提出了一種穿山甲超鱗片，並結合了高可拉伸性和微波吸收能力。
圖 | 穿山甲超尺度（來源：Advanced Materials）
它的具體構成如下：每四個導電圖案單元轉印在聚醯亞胺薄膜上，藉此形成一個高效能電磁耗散鱗片。每個電磁耗散鱗片，會和周圍的 8 個相鄰鱗片重疊，並以
正方形晶格的形式排列在在聚二甲基矽氧烷上，從而形成穿山甲超鱗片。
聚二甲基矽氧烷可給予整個器件較高的可拉伸性，當穿山甲超鱗片被拉伸時，作為剛體的電磁耗散鱗片可隨基體一起移動，同時導電圖案的幾何尺寸和電導率還可保持不變，從而藉此保持微波吸收能力。
（來源：Advanced Materials）
此外，由於電磁耗散鱗片的覆蓋效應和尺寸限制效應，穿山甲超鱗片大大增強了平面外壓入失效力，藉此可保護可拉伸基體免受平面外穿刺損傷。
另據悉，穿山甲超鱗片可被緊密貼合在不可展的曲面上：對於球形表面，穿山甲超鱗片最大雷達散射截面（RCS）減少 20。2dB，比傳統器件大 6。3dB；而對於馬鞍面，穿山甲超鱗片的 10 dB RCS頻寬達到了 9GHz，比傳統器件提高了 83%，因此在微波吸收方面有很強的魯棒性。
提出光刻和真空過濾相結合的混合方法
為了實現預期的微波吸收能力，還得采用高精度的製造方法。為此，陳曉東提出一種光刻和真空過濾相結合的混合方法。
據悉，光刻技術廣泛應用於微結構加工中，具有定位精度高的優點。而對於真空過濾，可透過改變懸浮液體積靈活調節沉澱厚度，進一步調節表面電阻。因此，結合這兩種方法可以很好地確保幾何引數和物理引數的高精度。
下圖是電磁耗散規模的典型製造過程。首先，在親水性尼龍濾膜上上光刻 SU-8。
圖 | 電磁耗散規模的典型製造過程（來源：Advanced Materials）
隨後，透過真空過濾法將單壁碳奈米管沉積在濾膜上，以製作電導圖案的陣列。SU-8 使得單壁碳奈米管溶液只能穿透尼龍部分，並能形成相應形狀。
然後，將導電圖案陣列轉移到聚醯亞胺膠片上，以便開發電磁耗散鱗片的陣列。最後，
將電磁耗散鱗片陣列切割成單個的電磁耗散鱗片單元，即可製備出穿山甲超鱗片。
模擬穿山甲的抗咬功能
為了模擬穿山甲的抗咬功能，陳曉東進行了面外壓入試驗。作為對照實驗，他還測試了其他三種結構。隨著壓頭位移的增加，所有四種試樣均表現出顯著的非線性響應。
圖 | 所有四種試樣均表現出顯著的非線性響應（來源：Advanced Materials）
為了明確展示穿山甲超鱗片比傳統結構的優勢，該團隊把穿山甲超鱗片和 Con-I（透過直接轉移導電圖案陣列來製造）應用於球形表面和馬鞍面表面。
在微波暗室中測量後的實驗結果表明，穿山甲超鱗片和 Con-I 在整個測量頻譜中均顯著抑制了微波散射。對於球形表面，穿山甲超鱗片的最大雷達散射截面（RCS）損耗比傳統器件 Con-I大6。3dB，而對於馬鞍面，10dB 雷達散射截面損失的頻寬提高了 83%。在用途上，它可用於開發可拉伸結構或具有不可展曲面的功能裝置。
與 Con-I 相比，穿山甲超鱗片消耗了更多的電磁能量。這種特殊優勢是因為對於 Con-I，導電圖案與基底同步變形，導致幾何尺寸和電導率都發生變化，削弱了微波吸收能力。
為設計可拉伸功能器件提供新途徑
受穿山甲鱗片重疊排列的啟發，陳曉東教授團隊提出了一種概念上新穎的軟-硬連線策略。利用這一策略，他們合理地設計和製造了一個由電磁耗散鱗片和彈性體基體組成的穿山甲超鱗片。
同時獲得了兩種特定的拮抗功能，即對微波吸收能力和抗穿透能力的穩定性。彈性基質賦予穿山甲超鱗片較高的拉伸性和非可展曲面的共形貼附能力。
在三維球形表面的案例中，最大應變甚至超過 40%，大大超過了傳統柔性器件的失效應變極限。
電磁耗散鱗片的重疊排列使穿山甲超鱗片在機械變形干擾下具有魯棒的微波吸收能力。
實驗結果表明，在均勻變形（單軸拉伸）和非均勻變形（球形表面或馬鞍面）的干擾下，他們提出的穿山甲超鱗片能很好地保持微波吸收能力。
得益於電磁耗散鱗片的覆蓋效應和尺寸限制效應，穿山甲超鱗片的面外壓入失效力顯著增強。
陳曉東教授團隊提出的可拉伸的、微波隱形的的超鱗片為設計可拉伸功能器件提供了一條新的途徑。
-End-
