自适应3D打印镍钛合金天线为军事和空间研究开辟了可能性

南极熊导读：在无线通信、导航、雷达、无线电通信和科学研究领域，天线一直是不可或缺的组成部分。它们的核心功能在于接收或发射电磁波。尽管天线技术已经取得了显著进步，但它们长期以来一直受限于刚性设计，这限制了它们的多功能性和应用范围。

2024年12月25日，南极熊获悉，约翰霍普金斯应用物理实验室（APL）的研究人员正在打破这一传统，通过先进的3D打印技术与形状记忆合金，致力于开发能够根据温度变化独立变形的天线。

这项研究于2019年启动，目标是通过3D打印技术与先进的材料科学，开发出能够动态适应不同无线电频率的天线。这些可变形天线的出现，有望为军事和太空探索领域带来前所未有的灵活性和功能性。

△研究题目为“双向增材制造形状记忆合金宽带可重构复合天线”（传送门）

APL的研究团队由Jennifer Hollenbeck领导，她从科幻系列《苍穹浩瀚》中汲取灵感，例如，外星技术能够根据需要改变形状。Hollenbeck解释说：“在我的职业生涯中，我一直在研究天线，并且一直在努力克服天线固定形状所带来的限制。我知道APL拥有将理论转化为创新解决方案的专业知识和能力。”

△自适应3D打印镍钛合金天线的三种状态，中间图片示例呈现为变形状态

3D打印突破形状记忆合金天线创新

天线采用镍钛合金（又称镍钛诺），这是一种广泛使用的形状记忆合金。这种材料具有在加热至特定温度后恢复原始形状的特性，非常适合需要适应不断变化条件的应用。然而，3D打印镍钛合金带来了一系列挑战，特别是在复杂结构的打印过程中，材料可能会因热反应而变形。Hollenbeck指出：“这确实是一个设计上的难题，而且最初的结果并不如预期。”

△呈现变形过程中的天线状态

通过一系列的实验和优化，研究团队克服了这些挑战，成功制造出第一款加热后可从平面螺旋形转变为圆锥形的天线。此外，他们还采用了一种新型导电材料，确保天线在达到所需温度时性能不受影响。增材制造工程师Samuel Gonzalez解释道：“我们在优化合金的加工参数和设计方面积累了丰富的经验，但此次的挑战更进一步。目前，这种材料的3D打印应用相对较少，因此我们缺乏成熟的加工秘诀。”

同事Mary Duflo补充说：“我们在打印机中制造了几次碎片，因为天线在打印过程中会因热量而变形，导致它们从构建平台剥落。”

展望未来，这种柔性天线为军事行动开辟了新的可能性，因为它可以现场实现动态通信。由于具备出色的适应性，这种天线还可以覆盖电信和工业领域的多种移动网络，特别是能够更好地适应短距离和长距离通信之间的切换。另一个潜在的应用领域是太空探索，作为太空任务的自适应解决方案。