Formskiftende origami kan hjælpe antennesystemer med at tilpasse sig i farten

Forskere ved Georgia Institute of Technology har udviklet en metode til at bruge en origami-baseret struktur til at oprette radiofrekvensfiltre, der har justerbare dimensioner, gør det muligt for enhederne at ændre, hvilke signaler de blokerer i et stort frekvensområde.

Den nye tilgang til at oprette disse afstembare filtre kan have en række forskellige anvendelser, fra antennesystemer, der er i stand til at tilpasse sig i realtid til omgivelsesbetingelser til den næste generation af elektromagnetiske tilslusningssystemer, der kunne omkonfigureres på flugt til at reflektere eller absorbere forskellige frekvenser.

Holdet fokuserede på et bestemt mønster af origami, kaldet Miura-Ori, som har evnen til at udvide og trække sig sammen som en harmonika.

"Miura-Ori-mønsteret har et uendeligt antal mulige positioner langs sit udvidelsesområde fra fuldkomprimeret til fuldt udvidet, "sagde Glaucio Paulino, Raymond Allen Jones formand for teknik og professor ved Georgia Tech School of Civil and Environmental Engineering. "Et rumligt filter fremstillet på denne måde kan opnå lignende alsidighed, ændre hvilken frekvens det blokerer, når filteret komprimeres eller udvides. "

Resultater fra undersøgelsen, som blev støttet af National Science Foundation, det amerikanske forsvarsministerium, og Semiconductor Research Corporation, blev rapporteret 10. december i journalen Procedurer fra National Academy of Sciences .

Forskerne brugte en speciel printer, der scorede papir, så et ark kunne foldes i origamimønsteret. En inkjet-printer blev derefter brugt til at påføre linjer med sølvblæk på tværs af disse perforeringer, dannelse af dipolelementerne, der gav objektet dets radiofrekvensfiltreringsevne.

"Dipolerne blev placeret langs foldelinjerne, så når origami blev komprimeret, dipolerne bøjer og bliver tættere på hinanden, hvilket får deres resonansfrekvens til at skifte højere langs spektret, "sagde Manos Tentzeris, Ken Byers -professor i fleksibel elektronik ved Georgia Tech School of Electrical and Computer Engineering.

For at forhindre dipolerne i at bryde langs foldelinjen, perforeringerne blev suspenderet på stedet for hvert sølvelement og derefter fortsat på den anden side. Derudover langs hver af dipolerne, et separat snit blev foretaget for at danne en "bro", der gjorde det muligt for sølvet at bøje mere gradvist. Til test af forskellige positioner af filteret, holdet brugte 3D-trykte rammer til at holde det på plads.

Forskerne fandt ud af, at et enkeltlags Miura-Ori-formet filter blokerede et smalt frekvensbånd, mens flere lag af filtre stablet kunne opnå et bredere bånd af blokerede frekvenser.

Fordi Miura-Ori-formationen er flad, når den er helt udvidet og ganske kompakt, når den er fuldstændigt komprimeret, strukturerne kunne bruges af antennesystemer, der skal forblive i kompakte rum, indtil de er implementeret, som dem, der bruges i rumapplikationer. Derudover det enkelt plan, som objekterne udvides langs, kan give fordele, såsom at bruge mindre energi, over antennesystemer, der kræver flere fysiske trin for at implementere.

"En enhed baseret på Miura-Ori kunne både implementere og justeres til en bred vifte af frekvenser sammenlignet med traditionelle frekvensselektive overflader, som typisk bruger elektroniske komponenter til at justere frekvensen frem for en fysisk ændring, sagde Abdullah Nauroze, en Georgia Tech -kandidatstuderende, der arbejdede på projektet. "Sådanne enheder kan være gode kandidater til at blive brugt som refleksarrays til den næste generation af cubesats eller andre rumkommunikationsenheder."

Der var også fysiske fordele ved at bruge origami.

"Miura-Ori-mønsteret udviser bemærkelsesværdige mekaniske egenskaber, på trods af at de er samlet fra plader, der er knap tykkere end en tiendedel millimeter, "sagde Larissa Novelino, en Georgia Tech -kandidatstuderende, der arbejdede på projektet. "Disse egenskaber kunne lave lette, men stærke strukturer, der let kunne transporteres."