约翰霍普金斯应用物理实验室（APL）的研究人员利用3D打印和形状记忆合金制造了一种可以根据温度变化形状的天线。

电气工程师詹妮弗·霍伦贝克表示，她的想法来源于《无垠的太空》系列，其中外星技术是有机的并且可以形状变化。她在新闻发布会上说：“我在我的职业生涯中一直在与天线打交道，并且一直在与固定形状带来的限制作斗争。我知道APL有创造不同事物的专业知识。”

APL的机械工程师和材料科学家安迪·伦农使用镍钛合金——一种镍和钛的形状记忆合金——来制造可以延伸穿过人的食道以协助心脏成像的线圈。挑战在于，镍钛合金和其他形状记忆合金传统上需要大量的机械加工——被称为冷加工——以实现形状记忆效果，因此它们通常只能作为线材或薄板提供。

伦农在同一份新闻稿中说：“进行大量的冷加工将完全违背我们的初衷。如果你将那个复杂的形状通过模具拉伸，你就又回到了线材。”

APL团队最初进行了研究，以解决可扩展的镍钛合金部件增材制造的基本挑战，后来将这些技术应用于创建可以在太空应用中部署的形状变化结构。在对天线应用进行广泛的实验后，团队调整了镍和钛的比例，但首次尝试使用3D打印的镍钛合金制造形状变化的喇叭天线并未成功。虽然天线确实在技术上能够膨胀和收缩并改变其频率，但它也变得僵硬且难以扩展。

霍伦贝克说：“结果证明这是一个非常复杂的设计，效果并不像我希望的那样好。”

他们的下一次尝试基于伦农团队在3D打印镍钛合金时看到的成功，这种合金可以在加热和冷却之间交替两种记忆形状。霍伦贝克的团队开发了一种在冷却时形状像扁平螺旋盘，但在加热时变成圆锥螺旋的天线。

加热螺旋盘证明是一个挑战。团队必须确定如何加热天线的金属以使其改变形状，但又不干扰射频特性或烧毁结构。为了解决这个问题，由射频和微波设计工程师迈克尔·谢本伯恩领导的团队不得不发明一种新型的电源线。

谢本伯恩说：“为了达到峰值加热，电源线必须处理大量的电流。我们不得不回到基础来使这个工作。”

拼图的最后一块是如何以一致、可重复的方式3D打印天线。伦农改进的镍钛合金，由于其更高的镍浓度，使得大规模打印变得具有挑战性。

增材制造工程师塞缪尔·冈萨雷斯解释说：“我们有很多优化合金加工参数和设计的经验，但这超出了一步。外面没有多少人，如果有的话，正在打印这种材料，所以没有处理它的食谱。”

同事玛丽·达夫龙补充说：“由于天线在打印时试图改变形状，由于热量，我们在打印机中制造了几次碎片。它想要剥离。”

通常，团队可以在不到四天内处理一种合金，但达夫龙和冈萨雷斯表示，这种特殊材料需要两到四周的构建时间。现在他们已经优化了加工参数，他们正在寻找在初步成功的基础上进一步发展的方法。

达夫龙说：“我们希望优化参数，使其能够在多种不同的机器上工作，使其更广泛地适用，我们知道我们将需要针对可能在不同温度下动作的不同材料变体进行优化。”

APL正在代表团队申请形状自适应天线技术的完整专利。实验室还初步决定申请用于加热螺旋的新型电源线的专利，控制天线的方法，以及使用形状记忆合金创建相控阵天线的方法和流程。