3D与4D打印电磁超材料

方儒轩; 张莘茹; 宋波; 张志; 张磊; 宋军; 姚永刚; 高铭; 周琨; 王鹏飞; 吕坚; 史玉升

doi:10.1016/j.eng.2024.10.017

Engineering ›› 2025, Vol. 51 ›› Issue (8) : 171 -194. DOI: 10.1016/j.eng.2024.10.017

研究论文

3D与4D打印电磁超材料

方儒轩 ^a ,
张莘茹 ^a ,
宋波 ^a ,
张志 ^a ,
张磊 ^a ,
宋军 ^a ,
姚永刚 ^a ,
高铭 ^b^,^c ,
周琨 ^b^,^c ,
王鹏飞 ^d ,
吕坚 ^e^,^f ,
史玉升 ^a

作者信息 +

3D and 4D Printing of Electromagnetic Metamaterials

Ruxuan Fang ^a ,
Xinru Zhang ^a ,
Bo Song ^a^,^* ,
Zhi Zhang ^a ,
Lei Zhang ^a ,
Jun Song ^a ,
Yonggang Yao ^a ,
Ming Gao ^b^,^c ,
Kun Zhou ^b^,^c ,
Pengfei Wang ^d ,
Jian Lu ^e^,^f^,^* ,
Yusheng Shi ^a ,

Author information +

文章历史 +

PDF (37472K)

摘要

电磁器件在信息通信、医疗、电气工程及国防等领域应用广泛，其性能很大程度上取决于构成器件的电磁材料。与此不同，电磁超材料（EMMs）作为一种具有独特电磁特性的人工构造结构，凭借其结构优势可突破天然材料的局限。三维（3D）打印技术是制备具有不同几何参数及相应特性的电磁超材料器件最有效的方法。然而，传统3D打印电磁超材料器件在制造灵活性及对电场、磁场等不同物理刺激的环境适应性方面存在不足。四维（4D）打印技术则是将结构设计与对外界场具有环境适应性的智能材料相结合的理想技术方案，例如，打印出的构件可在电刺激下发生形状变化。鉴于电磁超材料领域的快速发展，本文首先综述了典型的电磁超材料器件及其设计理论与原理，随后介绍了各类电磁超材料结构拓扑形式及制造技术，重点探讨了3D/4D打印技术交叉融合的可行性。此外，本文还重点阐述了电磁超材料的重要应用、未来发展趋势，以及功能性电磁超材料与增材制造技术面临的挑战。

Abstract

Electromagnetic devices have been widely used in the fields of information communication, medical treatment, electrical engineering, and national defense, and their properties are strongly dependent on the constituent electromagnetic materials. Conversely, electromagnetic metamaterials (EMMs), which are artificially engineered with distinctive electromagnetic properties, can overcome the limitations of natural materials owing to their structural advantages. Three-dimensional (3D) printing is the most effective technique for fabricating EMM devices with different geometric parameters and associated properties. However, conventional 3D-printed EMM devices may lack manufacturing flexibility and environmental adaptability to different physical stimuli, such as electric and magnetic fields. Four-dimensional (4D) printing is an ideal technique for schemes to integrate structural design with intelligent materials environmentally adaptive to external fields, for example, the printed components can change shape under electric stimulation. Given the rapid advancements in the EMM field, this paper first reviews typical EMM devices, their design theories, and underlying principles. Subsequently, it presents various EMM structural topologies and manufacturing technologies, emphasizing the feasibility of combining 3D and 4D printing. In addition, we highlight the important applications of EMMs and their future trends and the challenges associated with functional EMMs and additive manufacturing.

关键词

3D打印 / 4D打印 / 超材料 / 电磁特性 / 隐形斗篷

Key words

3D printing / 4D printing / Metamaterials / Electromagnetic properties / Invisibility cloak

引用本文

引用格式 ▾

方儒轩,张莘茹,宋波,张志,张磊,宋军,姚永刚,高铭,周琨,王鹏飞,吕坚,史玉升. 3D与4D打印电磁超材料[J]. 工程（英文）, 2025, 51(8): 171-194 DOI:10.1016/j.eng.2024.10.017

登录浏览全文

4963

注册一个新账户忘记密码

1 引言

随着电子信息时代的发展，电磁器件在通信、医疗、电气工程及国防建设等多个领域得到广泛应用，设计新型电磁材料的需求也日益迫切。其中，电磁超材料（EMMs）作为一类具有非凡物理特性的新型人工复合结构或复合材料，突破了传统天然材料的局限，具备特殊的电磁传输性能，能够调控电磁波的频率、振幅、相位等基本物理特性[1‒3]。超材料概念来源于1968年理论物理学家Veselago，其根据麦克斯韦方程，从理论上分析了拥有负介电常数和负磁导率材料（双负材料）的电磁学特性，并提出左手材料（LHM）新概念[4]。此后，超材料的设计理论不断发展，先后出现了具有光子/电磁带隙结构的电磁超材料[5‒6]、基于变换光学的异向介质[7‒8]、电磁超表面[9]以及数字可编程超材料[10‒11]等。研究表明，超材料的电磁特性可提升天线与微波器件的性能，并为新型吸波/透波材料的研发提供可能[12]。

如图1所示，电磁超材料依靠人工设计的复杂拓扑结构展现出超常的电磁特性，但其结构制备技术一直是制约电磁超材料实际应用的瓶颈之一。目前，电磁超材料的主要制备方法包括印刷电路板（PCB）蚀刻、平面光刻、掩模印刷等二维（2D）技术，以及浸渍法、机械加工组装、增材制造等三维（3D）技术[13]。然而，PCB技术属于板式雕刻技术，通常需要大量介电元件，导致成形结构厚重，且框架结构存在空间限制[13‒15]。平面光刻与掩模印刷需通过掩模腐蚀或掩模沉积在基底上形成图案，其中平面光刻制造成本高，难以用于复杂3D结构制造，而掩模印刷在反复沉积过程中成形精度会下降[16]。上述二维制造工艺无法便捷地制备复杂共形结构，难以满足电磁超材料制造的高精度与多功能集成需求。在三维超材料制备过程中，浸渍法需考虑与载体的结合强度，且表面形状无法固定；机械组装存在装配错位问题，导致成形精度降低；传统减材制造或等材制造方法也难以便捷地成形复杂形状构件。

增材制造（AM）[17‒18]，又称3D打印技术[19‒20]，能够成形复杂高性能构件，为电磁超材料（EMMS）的便捷高效制备与实验验证提供了可能。与其他方法相比，增材制造可在电磁超材料打印过程中进行选择性控制，减轻介质的重量并保证成形结构的稳定性。此外，增材制造在制造时间、多材料制造、梯度形式制备方面有着独特的优势，为电磁超材料结构的制备创造了条件。这种从“工艺导向”到“性能导向”的设计转变，大幅拓展了设计空间。

目前电磁超材料实际应用环境往往复杂且极端，材料需具备优异的环境适应性以维持其功能特性[21]。然而，采用传统材料难以制造出形状、特性及功能可调控的动态环境敏感型电磁超材料结构。因此，智能材料作为一类新型环境敏感的功能材料受到广泛关注[22‒24]，研究人员已开展了相关的研究[25]。随着人类社会迈向智能时代，四维（4D）打印技术应运而生，并与3D打印技术、智能材料协同发展。其中，智能材料是4D打印技术的核心。基于仿生理念，4D打印智能材料具备类似生物的感知、驱动与控制功能[26]。因此，4D打印技术本质上是一种集成化智能系统，其设计、制造与功能应用涉及材料科学领域的前沿方向。利用4D打印技术可制备出能响应外界刺激的“动态”电磁超材料，这也是未来的重要发展方向。

本文综述了典型的电磁超材料，总结了用于制备电磁超材料器件的增材制造方法类型及特点；介绍了二维、三维及仿生结构的电磁超材料设计方案，并探讨了4D打印智能响应电磁超材料的意义与可行性；最后，本文对电磁超材料的应用及未来发展方向进行了展望，如图1 [8,27‒28]所示。

2 电磁超材料的原理

材料的介电常数（ε）与磁导率（μ）是决定其是否适用于电磁超材料设计的关键参数。ε与μ通常包含实部和虚部，表达式如下：

ε = ε' - j ε ″

（1）

μ = μ' - j μ ″

（2）

式中，ε'和μ'为实部，代表材料的储能能力；ε"和μ"为虚部，代表材料的耗能能力。在不同应用场景中，电磁超材料会表现出不同的电磁特性。例如，具有强共振结构、干涉损耗特性或高损耗特性的吸波超材料，通常通过吸收电磁波并将入射电磁波转化为其他能量形式实现功能[29]。一般而言，电磁超材料的吸波性能用吸收率A(ω)表示。电磁波入射到材料表面后，会发生反射、吸收与透射三种过程，介电材料的吸收率A(ω)、反射率R(ω)与透射率T(ω)满足以下关系：

A ω = 1 - T ω - R ω

（3）

为提高吸波率，需尽可能降低材料对电磁波的反射与透射。现有吸波超材料通常需满足阻抗匹配与衰减条件，其中阻抗匹配关系如下：

Z 1 = μ 1 ε 1 = μ 0 μ e f f ε 0 ε e f f = Z 0

（4）

式中，

ε 1

、

μ 1

和Z₁分别代表材料的介电常数、磁导率与波阻抗；

ε 0

、

μ 0

和Z₀分别代表自由空间的介电常数、磁导率与波阻抗；

ε e f f

和

μ e f f

分别代表等效介电常数与等效磁导率。通过阻抗匹配优化，可降低材料对电磁波的反射率，进而设计出高性能电磁超材料[30]。因此，在人工设计电磁超材料时，需使ε与μ数值相近，合理的阻抗匹配可确保入射波无反射地全部进入吸波结构内部。材料的电磁波损耗因子tanδ计算公式如下：

t a n δ = ε ″ ε' + μ ″ μ'

（5）

由公式（5）可知，衰减特性与复等效介电常数ε和复等效磁导率μ的虚部相关，虚部数值越大，衰减性能越好。通过对虚部进行设计，可最大限度提高电磁能量转换效率，从而提升电磁超材料的吸波性能。

此外，与以吸收电磁波为主要目的的电磁超材料不同，电磁屏蔽超材料的设计目标是降低电磁波的透射率。电磁屏蔽主要通过三种机制实现：反射损耗、吸收损耗与内部多重反射损耗[31]。其中，反射损耗利用屏蔽材料与空气的阻抗不匹配特性，使部分入射电磁波被材料表面反射，无法进入内部区域[32]。由于空气在常规条件下为绝缘体，所以一般采用高导电材料，如金、银、铜等金属，进行以反射损耗为主的电磁屏蔽。然而为防止电磁波的二次污染，电磁屏蔽超材料同时引入了吸收损耗机制，即利用材料内部物质与电磁场发生相互作用，使电磁波的能量转化为热能等其他形式的能量而耗散[33]。这部分作用主要依赖于材料内部偶极子的极化弛豫、感应电流的热效应等，代表材料有铁氧体或碳纳米管（CNTs）等[34‒35]。内部多次反射损耗一般多出现于多孔材料中。当实体材料的吸收损耗较高，或电磁波的趋肤深度远小于材料的厚度时，内部多次反射损耗可忽略不计[36]。

吸波/屏蔽超材料及其他理想超材料的选择对电磁超材料性能起着关键作用。例如，若采用光子晶体材料设计具有光频段的完整光子带隙结构，材料需与空气形成足够大的介电常数反差。因此，选择合适的材料是电磁超材料设计的前提，也是提升EMMS性能的关键。目前，电磁超材料的应用特性几乎覆盖整个电磁领域，所采用的材料范围也极为广泛，常见材料包括碳基材料[37‒38]、金属材料与金属有机框架（MOFs）[39‒40]、陶瓷材料[41‒43]、聚合物材料[44]以及复合材料（图2）[45]。

3 电磁超材料的增材制造

3.1 增材制造技术

3.1.1 3D打印

增材制造方法类型丰富，工艺特性各异。电磁超材料增材制造工艺的选择主要考虑待制备材料的类型（如粉末、丝材、液体或混合物）及成形工艺特性（如成形精度、成形尺寸、生产成本），所选工艺需满足应用场景的功能需求。以下介绍几种用于制备电磁超材料器件的典型增材制造技术。

熔融沉积成形（FDM）[46]，又称熔丝沉积成形，是最常用的挤出式增材制造技术之一。该技术通过加热喷嘴，将热塑性塑料或低熔点金属丝材按预设扫描路径与速率挤出，从下至上逐层堆积形成三维实体结构。FDM工艺操作简单、成本相对较低，且兼容多种成形材料；但其仅适用于制备中小型模型构件，存在精度低、表面质量差的问题，且成形构件在厚度方向的强度不足。因此，FDM技术通常用于制备电磁超材料结构样品以开展新物理性能探索的试验验证研究，或达到在满足性能的同时降低制造成本的目的[47‒48]。

光固化成形（SLA）[49]是一种通过计算机控制紫外（UV）激光逐点扫描，使被扫描区域的光敏聚合物薄层产生光聚合反应而固化，逐层重复直至完成三维实体构件制造的3D打印工艺。SLA工艺稳定性高，尺寸精度可达0.1 mm，表面质量优异，但成形构件易变形，且原材料受限于光敏液体材料[50]。目前，基于SLA技术的超材料成形工艺成熟度较高，工件精度可达到微波波长级别，在电磁超材料结构器件制备领域具有良好应用前景。

激光选区融化（SLM）[51]与激光选区烧结（SLS）[52]均属于激光-粉末床工艺，需利用激光使粉末颗粒熔化或黏结剂烧结。两种方法的成形原理均基于逐层扫描，但激光能量密度存在差异：SLS通过熔化低熔点黏结剂，随后冷却使粉末固化；而SLM则利用高功率激光使粉末完全熔化，伴随复杂的物理、化学及冶金反应[51]。粉末成形工艺原材料来源广泛，成形强度高，且高能激光可熔化大部分高熔点物质，因此该工艺丰富了电磁超材料的成形材料种类，能够制备综合性能优异的超材料构件。

除上述几类主要增材制造技术外，用于电磁超材料成形的其他技术还包括与FDM原理类似的墨水直写（DIW）[53]、数字光处理（DLP）[54]、喷墨打印（IJP）[55]、投影微立体光刻（PμSL）[56]及双光子激光直写技术（TPP）[57]（图3）。其中，后两种工艺是常用的微纳尺度3D打印技术。PμSL通过紫外光调制器，在整个曝光面上形成动态掩模图形，使树脂固化；紫外光通常通过数字微镜器件（DMD）进行处理与投影。目前，实验室级PμSL的精度可达数百纳米级别，商用级PμSL的打印精度可达数微米。TPP则是基于非线性双光子吸收效应，利用超快脉冲激光将光敏材料（树脂、凝胶等）在焦点区域固化成形，其打印精度可优于100 nm。

电磁超材料的应用范围可横跨整个光谱波段（图3）。理论上，可针对不同波长范围设计电磁超材料，其结构特征单元的尺度与形貌由工作波段的波长决定。微波频段电磁超材料的单元结构尺寸通常在微米至厘米量级；太赫兹（THz）频段超材料的单元尺寸为微米级；工作波长处于红外及可见光波段的电磁超材料，其结构单元尺寸甚至可达纳米级。因此，跨尺度电磁超材料的增材制造工艺至关重要。许多应用场景需要大型电磁超材料的一体化成形，但成形过程受增材制造设备制造尺寸的限制。同样，电磁超材料的小尺度加工精度也有待提高，对在可见光和红外波段工作的电磁超材料，大部分增材制造工艺和设备无法实现对其微结构单元的精确制造，更难以批量生产。而微纳尺度增材制造技术的出现大幅提高了加工精度，有望逐步解决这一问题。

3.1.2 4D打印

Tibbits团队[58]于2013年在3D打印基础上提出4D打印技术的新概念。与3D打印构件相比，4D打印构件额外具备形状、性能或功能可变化的特性，这些变化通常由声、光、电、热、力等外界刺激引发。利用4D打印技术可制备自组装材料、多功能自适应材料、自修复材料等多种智能材料[59]。通常，4D打印技术所使用的材料为形状记忆材料，这类材料可通过编程设定为临时形状，并在环境刺激下发生形状转变[60]。

形状记忆材料主要包括形状记忆合金、形状记忆聚合物与形状记忆陶瓷。形状记忆材料类型的多样性使其具有较高的设计灵活性与功能扩展性，可根据特定应用需求，通过温度、磁场、电场、光等多种刺激实现选择性激励，还可将复合设计融入材料体系中。最终，变形程序被嵌入形状记忆材料内部，使打印结构无需外部系统即可实现预期功能。目前，研究人员已对形状记忆效应开展了广泛研究，特别是几何变形特性，该效应可用于电磁场中电磁超材料的性能调控与功能转换。

3.2 电磁超材料结构的增材制造

电磁超材料的设计与优化分析至关重要，研究人员早期依靠等效介质理论定制超材料的介质参数[61]，并通过人工单元的极化或磁化特性推导宏观结构性能，这要求等效介质的尺寸远小于空间波长。对此，可利用反演法反向获取电磁超材料的等效电磁参数[62‒63]，但反演法无法将单元结构整体联系进而提供唯一本征阻抗与折射率[64‒65]。随后人们基于传输线理论提出等效电路法，将电磁超材料的物理结构等效为含有集总参数的电路来对电磁特性进行定量分析，可更直观地描述和理解结构所起的作用和工作机理[66‒68]。随着电磁超材料结构复杂度的提升，多种理论分析方法相继提出，包括多级反射干涉模型[69]、Mie谐振理论[70]、Fabry-Perot共振腔体理论[71‒72]以及色散模型[73]。虽然上述方法难以凭借单一理论覆盖整个电磁超材料设计，但可以结合仿真软件指导电磁超材料模型设计，并通过数值算法优化与仿真拓宽其作用范围[74]，从而实现二维、三维、仿生等多种结构形式的电磁超材料（图4）[75]。

3.2.1 二维结构

电磁超表面是基于广义斯涅尔定律发展而来的功能性二维平面结构，兼具低剖面、宽频带、可调谐的特点[9]。与三维超材料相比，超表面单元的厚度远小于波长，其对电磁波的调控能力不依赖空间上的相位累积，而是通过结构表面的相位梯度灵活调控电磁波波前的振幅、相位与极化状态，具备强大的场操控能力[76]。因此，采用超表面结构有利于设计超轻超薄、易共形的电磁器件。

超表面设计的理论基础主要包括传统周期性电磁理论（Floquet理论、相控阵理论）[77‒78]、惠更斯等效原理[79‒80]以及新型广义反射/折射定理（广义斯涅尔定律）[81]。2011年，Capasso团队[81]发现，在不同材料界面引入相位突变可实现超常折射，并通过实验验证提出了广义斯涅尔定律。基于该定理，他们设计了由不同结构参数的V形金纳米天线组成的超表面[图5（a）和（b）]，通过每个V形相位控制器产生的相位突变实现了0~2π的波前相位调控。随后科学家基于广义斯涅耳定律，通过特殊设计的薄层结构实现对空间电磁波的灵活调控，相继提出相位梯度（GRIN）超表面和超材料惠更斯表面[82‒83]。其中，GRIN超表面利用表面切向方向的相位梯度设计，引导自由空间中传输的电磁波沿物体表面传播，其表面波转换效率接近100% [82]。超材料惠更斯表面由密歇根大学Grbic团队提出，通过特殊的二维电磁薄层结构，构造面向波束赋形、偏折、聚焦等应用的透射式电磁超材料[83]，相对于V形超表面天线，惠更斯表面具有透射率高、传输模式简单等优点。然而制造工艺限制了这类电磁超表面的进一步应用，尤其是当超材料周期结构较为复杂时，传统工艺无法实现低成本成形。因此，增材制造技术成为制备这类结构、缩短制造时间并降低成本的有效手段。

对于共形隐形斗篷等大型电磁超表面，如何同时实现优异的电磁性能与大曲面制造是一大挑战[84]。在图5（c）和（d）中，Yin等[85]提出了一种用于曲面共形超表面的新型热编程增材制造技术，他们基于热塑性聚合物的玻璃化转变特性制备了兼具刚性和柔性特性的共形超表面，同时降低了制造复杂性，并保证材料的电磁性能。实验中，他们采用聚乳酸（PLA）与Sn-Bi复合材料通过FDM技术成形，设计并制造出由易弯曲单元结构组成的拱形超表面隐形斗篷，为提升复杂曲面超表面的隐身性能提供了可行的实现方案。

对于典型的蘑菇状小型结构超材料，其由一个顶部的金属贴片与接地面连接组成，制造过程中需要去除表面下的材料。采用PCB蚀刻等传统工艺制造这类超材料时，需额外设置接地通孔，成本高且稳定性差。对此，Stuardo等[86]通过低成本3D打印，无需任何后处理即可直接制造出Sievenpiper蘑菇状超表面[图5（e）]。他们通过仿真对比与实验验证，证明了3D打印超表面在损耗与阻带产生方面的性能。因此，利用3D打印技术制造具有几何变形的拱形、球壳等超表面，可提升空间调控性能，实现电磁波的三维控制，推动高性能电磁超表面的研究[87]。

除电磁超表面外，早期的电磁吸收超材料结构也以单层或多层结构为主，依靠谐振原理加强材料对电磁波的吸收作用。但受结构限制，这类超材料无法在三维空间内实现电磁波调控。其中最典型的是“三明治”型电磁超材料，即由“金属-介质-金属”三层结构组成，其在介质层表面刻蚀金属图案实现电谐振，底部则利用金属板反射电磁波实现二次吸收，同时金属基板与表层金属结构耦合形成磁谐振器。尽管这种三层构造能够在谐振频率附近实现近乎完美的吸波效果，但基于谐振理论只能实现较窄的吸收带宽，且平面结构对于电磁波入射和极化角度都比较敏感[29]，难以保持良好的稳定性。此外，大多数二维吸波超材料在制备完成后吸收带宽是固定的，在面对不同工作环境时难以实现吸收频率的动态可调。因此，针对以上瓶颈问题，目前二维电磁超材料的主要研究方向包括多频及宽频调控、极化和角度不敏感以及可调谐特性等，同时依靠增材制造等先进技术和形状记忆材料，最终实现复杂微/宏结构超材料跨尺度制造、多材料超材料一体化制造、多功能耦合超材料结构制造，最大限度发挥二维结构的优势。

3.2.2 三维结构

三维电磁超材料的加工难度高于二维结构，而增材制造技术大幅提升了其结构设计自由度。利用增材制造技术可成形三维超材料，能更有效地调控电磁波，尤其在低频吸波与结构承载应用中优势显著。Mei等[88]采用SLA技术结合聚合物浸渍裂解（PIP）工艺，利用Al₂O₃/CNT/SiC纳米线（SiCnw）/SiOC复合陶瓷，制备出十字交叉扭转结构的电磁超材料，且当扭转角度增大至90°时，材料吸波性能显著提升。最终样品厚度为2.8 mm时，吸波带宽达3.6 GHz，覆盖整个X波段。扭转结构改善了超材料的阻抗匹配特性，且扭转角度增加了电磁波的传播路径，从而增强吸波效果。Lim等[89]通过FDM技术制备出阶梯状的十字结构吸波超材料，以PLA作为3D打印原材料，在3D打印介电结构表面涂覆银浆形成导电图案；实验结果表明阶梯结构有利于吸波超材料的小型化。为协同提升电磁超材料的工作频段与力学性能，有研究采用FDM技术制造出由电阻片组成的三维蜂窝结构电磁超材料，可在3.53~24 GHz范围内实现宽频吸波，且采用FDM技术有利于实现吸波结构轻质化[90]。同时其他增材制造超材料结构研究还包括了多层结构[91‒94]、蜂窝结构[95]、金字塔结构[96]及频率选择表面（FSS）[97]等，如表1 [54,88‒91,93‒99]所示。

增材制造技术可通过材料与结构的梯度设计及复合设计，进一步提升传统多层电磁超材料的性能（图6）。梯度材料可使电磁超材料具备良好的阻抗匹配特性，增强其对电磁波的调控能力。Yang等[98]通过FDM技术，将电磁超材料与多级梯度吸波材料相结合，通过调整单元结构的几何参数及羰基铁粉增强聚醚醚酮（CI-PEEK）的分布，设计出具有梯度折射率阻抗特性的多层吸波体。制备的3D打印多层超材料在8.2~18 GHz带宽范围内及大入射角下均可有效吸收电磁波。结构的复合设计也可拓展电磁超材料的工作频段，有研究采用非平面超结构与平面结构双层复合的方式，制备出具有磁共振结构的垂直吸波超材料，其低频吸波能力优于传统平面结构超材料[100]。基于多材料的电磁超材料也是当前研究热点，Xie等[101]通过双打印头FDM技术，制造出以生物降解聚酯与含导电铜颗粒聚合物丝材为原料的三维超材料结构样品，探索了金属与非金属一体化打印的三维超材料结构制造技术。综上所述，通过增材制造技术实现逐点/逐域可控成形，是提升电磁超材料结构性能的重要策略之一。

随着高频电磁波波段应用需求的增加，微纳领域三维电磁超材料的制造也成为重要研究方向。由于入射波对太赫兹超材料亚波长结构的特殊响应，其人工单元的典型尺寸约为数十微米，且单元需具备特殊的宏观结构。因此，开发高效、低成本的太赫兹超材料制造方法至关重要。为满足太赫兹超材料的成形精度要求，研究人员采用PμSL工艺制造出可工作于太赫兹波段的三维GRIN超材料，其分辨率接近0.4~0.6 THz衍射极限[102]，打印结构如图7（a）所示。该结果验证了PμSL技术成形太赫兹超材料的可行性。Li等[103]提出了一种基于微纳PμSL打印结合磁控溅射沉积镀膜的太赫兹超材料制造工艺[图7（b）]。研究以基于垂直U形环谐振器的三维太赫兹超材料为原型，采用高精度微纳3D打印设备加工模型，随后通过磁控溅射沉积金属膜实现结构模型功能化。制备的超材料垂直U形环高度为75 μm，适用于具有一定厚度的分析物检测。在样品表面加载乳糖与半乳糖粉末后，超材料吸收峰的中心频率发生有效偏移，验证了该样品在折射率传感等领域的应用潜力。

对于光子晶体等工作频率处在红外及以上波段的超材料，研究人员通常基于TPP技术来制造超材料结构。在红外光谱区域，Kenanakis等[104]研究了一种具有线偏振非对称传输特性的三维金属超材料结构[图7（c）]，该结构通过激光直写与选择性化学镀银工艺制造，由两个垂直的分裂立方体谐振器（SCRs）组成，赋予材料非对称传输能力，为极化隔离应用提供了可能性。在图7（d）中，Sakellari等[105]通过激光直写技术结合化学镀银工艺，成功制备出三维手性等离子体超材料，其单元结构由环形结构（即扭转Ω粒子）组成，该结构融合了小型电偶极子天线与开口环形谐振器（SRR）的特性。这些研究证实了微纳尺度增材制造工艺在极端制造领域的突出潜力与优势。

三维结构凭借其形状可控性，在可调控多功能集成超材料领域具有应用潜力，为智能电磁超材料的研发提供了有利条件。然而，目前大多数三维电磁超材料设计研究未考虑力学承载能力，也未对相应服役力学性能进行测试。未来仍需开展相关研究，在提升电磁超材料电磁吸波性能的同时，保证其结构力学性能。

3.2.3 仿生结构

经过长期自然演化，生物结构不断优化以适应极端环境。动物、植物及微生物都具备众多优良的结构，如低阻力、疏水性、抗冲击、高强度等[106‒109]，这些结构为新型材料的设计与制造提供了灵感。因此，许多研究人员开展了仿生材料研究，对仿生材料的构效关系进行仿生模拟，以提升工程结构的效能[110]。尤其对于以结构性能或功能为驱动的超材料，仿生结构可实现独特的多功能组合[111‒112]。

早期仿生超材料研究主要聚焦于运动、承载结构等力学功能。随着电磁产品的升级，电磁超材料研究逐渐将仿生学与高性能结构的设计制备相结合[113]，建立了以生物对象为灵感的研究模型。通过对模型结构进行定性与定量分析，将其应用于电磁超材料制备，同时考虑采用不同材料与工艺，以创造新型形态与结构。有研究以红珠凤蝶翅膀为模型，设计并制备出一种兼具雷达与红外隐身功能的仿生复合材料[114]。另外，有研究人员通过观察分析硅藻细胞膜的复杂结构，发现该膜具有优异的力学性能与比表面积[115]，因此研究人员制备出基于分级纳米颗粒阵列的吸波超材料[116]。然而，仿生设计原理简单，制造难度却较大。仿生电磁超材料的性能通常依赖其内部复杂的多级结构，且尺度往往跨越纳米至宏观范围，而微/宏观跨尺度复杂仿生结构的制造工艺面临巨大挑战。增材制造技术提供的设计自由度，更有利于超材料的仿生结构设计，提升超材料结构的多功能性。Sadeqi等[117]提出了一种结合SLA、金属镀膜与湿法蚀刻的混合方法，用于制造具有复杂几何形状与新功能的二维及三维超材料。通过该方法，其制备出一种嵌入光学元件的新型超材料[MEGO，图8（a）~（d）]，其形态类似蘑菇状超材料。蘑菇状结构的茎秆顶部设有小型金属谐振器，可在特定频率下实现微波吸收。研究人员受飞蛾复眼启发，制造出具有蛾眼结构的全向半球形吸波体[图8（e）~（h）]，该吸波体具有频率选择性，具备角度不敏感的全向吸收和检测功能。将频率选择超材料与光学抛物面反射器融合，最后制造出一种独特的兼具两种结构的MEGO器件。

除生物表面结构外，生物内部组织的仿生设计也是重要研究方向。Devi等[118]受生物微血管启发，通过FDM技术打印玻璃纤维/环氧树脂复合材料，形成具有高度复杂网络的血管仿生超材料[图8（i）~（m）]。该超材料具有动态可重构性，通过向血管结构中注入或抽出室温液态金属（镓、铟），可调控其对射频光谱中特定电磁波的过滤能力，这使材料具备可调谐通信和传感系统应用潜力。研究结果在电磁学等多个物理领域具有重要意义，为多功能和自适应微血管复合超材料的未来设计优化与实际应用提供了新基准。

3.2.4 智能响应型电磁超材料

环境通常会影响材料的电磁特性，因此提升材料的环境适应性至关重要。然而，不可重构超材料在电磁波调控方面存在局限，如仅适用于固定工作环境且功能单一。因此，可调控与可重构电磁超材料的研究受到众多学者关注。研究人员探索利用机械与物理装置实现可调控性，旨在通过机械变形调整单元结构与超材料的电磁特性[119‒120]，如图9（a-i）所示。此外，微机电系统（MEMS）也广泛应用于可调控电磁超材料[121‒124]，图9（a-ii）展示了一种气压控制的MEMS器件。外界刺激导致单元结构变化时，也会引起超材料等效电路的变化，使其可有效转化为主动集成器件。这类超材料通常采用柔性基底成形以实现可重构性能，但在安装及机械装置集成方面存在局限。文献[125]提出了一种环境敏感型主动超材料[图9（b-i）]，多项研究表明，嵌入变容二极管[126]、PIN二极管[127‒128]等主动元件的超材料，其电磁性能可通过外部激励信号（通常为电压或电流）实现动态调控，这种动态调控具有重要实际意义。

然而，引入机械调节或主动电子器件会增加制备工艺的复杂度，因此有研究开始采用相变材料与可变形材料实现电磁超材料性能的动态调控。通过化学掺杂或施加电压，可控制石墨烯超表面的电导率[129‒131]，如图9（b-ii）所示；液晶、VO₂等材料也可通过电激励而调控折射率，影响超材料的相位响应[132‒133]。基于GaAs/Si的超材料具有光照诱导的光导电特性，利用其光敏性可形成多通道动态滤波器[134‒135]，如图9（c-i）所示。在图9（c-ii）中，VO₂因在光照下的特殊性质，也可作为一种优异的光响应材料[136]。光照会导致材料表面温度变化，因此光响应通常伴随热响应[137]。针对热响应而言[图9（d）]，可采用VO₂、YBa₂Cu₃O_7₋_δ 等热敏材料作为基底，调整电磁超材料的介电特性[138‒140]。另外，温度诱导的材料形变是一种常见的电磁超材料调控方法，该技术可使太赫兹波段电磁透射率发生改变，调节幅度达50% [140]。利用外加磁场可调整磁性材料的形状或特性，这也是实现超快响应变形的有效方法[141‒142]，如图9（e）所示。此外，电磁超材料中可采用液体介质部分替代固体介质，通过改变液体浓度或更换液体，定制超材料的电磁特性[143‒144]。图9（f-i）展示了利用液态汞调控电磁超材料的案例，其中用于替换的液体介质可为低熔点金属[143,145]，这类金属通过重新熔化为液态改变形状，最终产生独特的反射响应。尤其值得注意的是，液晶的流动性会影响材料的微观排列，从而赋予其不同功能[146]，如图9（f-ii）所示，这类超材料特性在电子通信、半导体、航空航天等多个领域具有应用价值。

总体而言，可通过机械、电、光、热、磁、流体等多种方式对电磁超材料进行智能控制，控制结果与单元排列、单元形状及材料特性的变化相关。调控方法与结果并非相互独立，例如，光照也会导致输入热量变化，单元排列、单元形状与材料特性的变化可能同时发生。然而，部分调控方法智能化程度低，缺乏环境感知与自调控功能。当前研究重点在于将智能调控升级为智能响应，并构建快速成形所需的智能超材料集成系统。

随着增材制造技术的发展，4D打印概念应运而生，智能自响应材料打印技术极大地推动了可重构与功能可调超材料的设计与应用。传统3D打印电磁超材料在打印成形后，其功能与特性即固定，仅能适应特定场景的应用需求。基于折纸技术原理，3D打印电磁超材料可通过外部拉伸调整，实现不同功能[147]。但单一3D打印技术无法将智能材料作为功能构件实现一体化成形，且打印材料不具备外界环境感知与自反馈能力。目前，4D打印智能电磁超材料的研究仍处于起步阶段，主要集中于热响应模式[28]。因此，研究人员需探索从结构完整性向多功能智能响应的转变。材料-结构-功能一体化与智能化已成为材料发展的主流方向，研究人员应合理选择智能材料、设计结构，并利用增材制造技术的优异特性，制造对外界刺激敏感的电磁特性超材料，最终获得适用于多种应用场景的动态宽带电磁超材料[21]。

4 典型应用

电磁超材料的特殊电磁特性覆盖整个电磁波频段，相关研究也涉及材料科学、无线通信、电子信息、生物医学等新兴前沿领域的先进技术。在电磁超材料设计技术不断创新的同时，其在超材料天线、透镜、隐身、成像、能量传输及新型非线性功能器件等领域的应用也得到广泛探索[148‒151]。以下介绍电磁超材料的几个典型应用场景，并对比分析增材制造成形方法与其他成形方法，评估增材制造技术的可行性和优势。

4.1 天线

天线的基本功能是实现自由空间电磁波与局部电磁场的相互转换，并调控电磁波的频率、振幅、相位等参数。超材料天线技术在工程中应用广泛，多项实验表明，将电磁超材料应用于导弹、雷达、航天器等搭载天线的系统中，可大幅降低天线能耗、提升天线增益、拓展天线带宽，并有效增强天线的聚焦能力与方向性[152‒153]。当前研究主要集中在两个重要方向：低剖面小型化天线与基于超材料的透镜天线。

由于电磁超材料工作于亚波长尺度，尺寸相对较小，将其引入天线系统可实现器件小型化，制造出高增益、低剖面天线。基于电磁超材料设计的小型化天线常用构件包括高阻抗表面、复合右手传输线及超材料辐射单元。高阻抗表面在特定频段具有高阻抗与同相反射特性，可减少传统定向天线因背板距离不足导致的相消干涉[154]。因此，早期研究中设计的天线常采用人工磁导体（AMC）结构或部分反射表面包覆，以实现高增益与低剖面特性[155‒156]，如图10（a）所示。为避免AMC的共振特性导致天线带宽变窄，可采用渐变结构对AMC进行改造[157]。此外，复合右手传输线结构的零阶与负阶共振特性，可突破传统贴片天线的工作波长限制，为小型化天线设计提供新思路[158]。而在基于复合左右手传输线的宽带非对称共面波导馈电微带天线中，通过零阶共振点与+1阶共振点的结合，可实现带宽拓展[159]。除上述利用超材料设计小型化天线的方式外，还可将超材料直接用作天线的辐射单元，进一步实现小型化[160‒163]，如图10（b）所示。

广义超材料概念也已提出，将超材料置于距天线适当距离处，可通过天线的辐射场激发超材料。天线会引入一个远小于自身共振频率的新共振频率，从而实现天线小型化，该方法还可确保天线具有良好的阻抗匹配带宽[164]。此外，随着多功能天线需求的增加，小型集成电磁超材料天线的制造成为关键挑战。增材制造技术凭借其独特的技术优势，推动超表面在复杂共形多功能载体中的应用。集成天线也是实现天线小型化的有效手段，Li等[165]提出了一种结合3D打印与柔性印版技术的方法，在多扇区超表面上实现多功能集成[图10（c）]。基于三层金属传输结构的超表面单元，在8~14 GHz宽频段内实现了高效交叉极化转换与360°传输相位控制。最终，研究人员在圆柱形超表面的4个1/4扇区上分别设计了抛物面相位、涡旋相位与V形线性相位，将各扇区组装成完整圆柱体，并用全向单极子天线激励圆柱体，实现了四种功能的集成。该研究为共形多功能器件设计提供了新思路，也可为小型功能集成天线设计提供参考。

通过调整结构尺寸与单元排列，可调控电磁超材料的等效折射率，从而形成不受衍射极限限制的高定向透镜。这类透镜可灵活控制电磁波，广泛应用于高性能透镜天线、小型化相控阵天线、超分辨成像系统等。例如，GRIN透镜由折射率从外到内逐渐增加的材料层构成，可发射与接收电磁波。Chen等[166]利用GRIN超材料透镜，通过空间导波效应将准柱面波或球面波转换为平面波，实现宽带高增益天线特性[图10（d）和（e）]。但该透镜并非一体化结构，需组装多个PCB板，这使得其应用受到材料和制造工艺的限制。Zhang等[167]通过FDM技术，制造出一种低成本轻量化菲涅尔波带片透镜，该透镜由三个介质环与中心空环组成[图10（f）]，在8~12 GHz频段内可实现7.3~12.8 dB的增益。增材制造技术还可用于制造低成本一体化复杂透镜。Liang等[168]采用IJP工艺，高效精确地制造出X波段伦伯透镜天线。由于透镜采用一体化成形工艺，无需对不同层分别制造及复杂组装，工艺耗时短且容错性高[图10（g）]。

增材制造电磁超材料具有高效、便捷、无需组装的特点，在天线应用发展中发挥重要作用。当前研究聚焦于如何实现宽带宽、高增益、小型化天线，尤其是在高传输速率、智能波束赋形、波束能量汇聚的5G通信领域，要求电磁超材料同时具备多种特性。因此，增材制造技术需兼顾材料与结构，设计更多具有良好介电性能的材料，并将其应用于合适的结构中。

4.2 隐形斗篷

电磁波在空间传输过程中，会在常规金属器件表面产生感应电流，导致电磁波散射，从而改变原始电磁场的空间分布。隐形斗篷的设计目的是抑制或消除这种干扰，使斗篷覆盖区域外的原始电磁场分布保持不变。因此，在微波领域，隐形斗篷可通过操控雷达波实现目标隐身，达到雷达隐身效果；在光学领域，隐形斗篷还可使目标避开可见光或红外光源的探测，这将推动武器装备与作战模式的新一轮变革。

在金属目标周围放置具有特定电导率与介电常数分布的超材料薄层，可使材料的折射率逐渐变化，从而引导电磁波绕过目标，之后沿原方向传播，实现电磁隐身。Schurig等[169]采用SRR结构，设计出一种工作于微波频段的二维柱形斗篷[图11（a）~（c）]，并通过实验验证了该超材料在8.5 GHz工作频率下的电磁隐身特性。为拓展隐身带宽，Liu等[170]设计出一种用于地面目标的低损耗二维宽带电磁隐形斗篷[图11（d）和（e）]，工作频率为13.0~16.0 GHz。尽管这些二维超材料具备电磁隐身特性，但难以在三维空间内调控电磁波传输特性，且材料存在带宽与极化敏感性问题。因此，针对三维超材料在隐身应用中的研究日益广泛。

三维电磁超材料可用于制造吸收光线的“桌面黑洞”。基于光学全向吸收体的理论方案，Cheng等[171]通过实验制造出光学黑洞，即全向电磁吸收体，在微波频段的电磁吸收率高达99% [图11（f）~（h）]。该器件由复合非共振与共振超材料结构组成，通过电磁场控制，可引导并吸收各个方向的电磁波，无任何反射。器件的全向吸收能力使其具备电磁黑体特性，吸波性能在一定程度上模拟了电磁黑洞，可作为热辐射源与电磁波收集器使用。Ergin等[172]基于变换光学理论，在1.4~2.7 μm光频段设计并实现了一种三维隐身结构，最终通过激光直写技术制造出该结构。但该斗篷仅是二维情况的简单延伸，仅在入射波角度小于60°且满足特定极化条件时，才能展现隐身特性。Ma等[173]设计出一种三维隐身地毯，在微波频段对不同极化方向、任意入射角度的电磁波均能实现宽带电磁隐身，且该结构可轻松拓展至光频段[图11（i）~（l）]。该器件利用新型人工电磁材料的孔径尺寸控制折射率变化，使电磁波形成镜面反射，从而实现地面目标的隐身。此外，三维非欧几里得超表面地毯斗篷因单元布局继承了形状的完美对称性，具备稳定的电磁性能[174]，因此还可在自由空间中实现对电磁波的全向三维控制。

电磁超材料相关研究提升了隐形斗篷的适用性，随着增材制造技术的进一步发展，可利用更多高性能器件操控电磁散射，制备理想的隐形斗篷[84‒85,175]。Tian等[175]设计出具有GRIN超材料结构的地毯斗篷，这种三维电磁黑洞器件由金刚石结构光子晶体与木堆结构光子晶体组成，并以光敏树脂为基体材料，通过SLA技术实现打印。研究人员通过实验验证了采用增材制造技术制备人工电磁介质器件的可行性，为器件的进一步推广应用奠定了基础。

综上所述，增材制造技术推动了隐形斗篷与变换光学领域的快速发展。值得注意的是，电磁超材料简化了变换光学的实现过程，是隐形斗篷的核心。目前，利用天然各向异性材料已实现光频段隐形斗篷的制备，但现有电磁斗篷结构简单，通常仅具备隐身功能。随着增材制造技术的进步，可通过复杂结构实现其拟态功能，使目标物体被完全识别为其他事物。

4.3 成像

鉴于超材料具备特定且可调控散射响应的能力，基于超材料的成像系统已成为现代光学领域的研究热点。基于超材料的图像传感器可提升图像检测的灵敏度与动态范围，降低噪声；基于超材料的微镜可制造更小的图像传感器，提升成像分辨率与传输效率。因此，电磁超材料在成像光路、成像算法及生物医学成像等领域具有广阔应用潜力。不同光谱范围的独特需求、挑战与应用，推动了针对特定频率的超材料创新，以改进现有成像方式或基于成形工艺开发新型成像方法[176]。因此，通过设计从无线电到光频段电磁超材料的几何结构，可实现全息成像、透镜成像等功能。

全息成像研究始于Smith团队发表的基于超材料孔径的计算成像研究[27]。实验中，他们优化设计了工作于K波段（18~26 GHz）的电可调超材料天线，从理论上推导建立了系统成像性能的数学模型，最终通过外部偏压改变漏波天线的图案，获得二维空间成像。研究人员通过改进天线与算法模型[图12（a）~（d）]，采用两个单刀六掷超材料天线发射信号、低增益喇叭天线接收信号，利用微波全息成像算法实现对三维目标的成像[177]。这种通过传输线馈电的计算成像无需透镜聚焦、移相器或机械扫描装置，且成本低、频率多样化，优于传统成像技术。2016年，Li等[178]发表了基于空间馈电方式的超材料成像研究，首次提出用于单传感器单频率微波成像的透射型2位可编程编码超表面。该研究采用常规喇叭天线发射连续波，通过改变超材料表面的数字编码状态动态调控入射波束，获得一系列空间辐射方向图，实现对特定二维目标的成像。其成像系统大幅简化，在9.2 GHz频率范围内测试中取得了良好效果[图12（e）~（h）]。研究人员还开展了基于电磁超材料的全息实时成像研究，利用电控负载二极管，根据数字编码超材料表面的波束调控特性，可实时获取多幅全息图像[179]。该超表面在微波频段提供可切换相位调制，生成高分辨率、低噪声的不同全息图像。同时，将全息成像与机器学习结合，通过前期有效样本数据训练，系统可更好地捕捉测试目标的相关行为，实现基于可编程超材料的实时成像[180]。

如天线应用部分所述，基于超材料的透镜不仅适用于高增益天线，在成像系统实际应用中也具有重要意义。通常，亚波长分辨率成像需要大数值孔径透镜，这类透镜成本高且体积庞大[181]。值得注意的是，采用超表面可将传统折射率光学元件小型化为平面结构透镜。超表面的超薄特性使其适用于开发超薄共形光学元件，且其与传统微制造技术的兼容性，可实现由多个超材料组成的光学系统一体化制造。目前，超表面透镜的应用方式包括反射型与透射型。反射型超表面透镜通常由金属-介电材料-金属多层结构组成，基底金属作为全反射镜。Pors等[182]制造出一种反射型平面透镜，以50 nm厚的SiO₂层作为介电层，可在其极化平面的焦距范围内聚焦线偏振入射光束[图13（a）和（b）]。此外，与早期透射型等离子体超表面[183]相比，这种基于多层结构的反射型超表面效率更高[82,184‒185]，但受技术限制与表面散射影响，反射型透镜的实际测量效率仍较低。因此，部分学者开始研究高效透射型超表面，相关研究涵盖近红外至长波红外波段[186‒187]、从圆偏振光到极化无关[188‒189]、从固定成像范围到可调成像范围[190]，如图13（c）和（d）所示。

通过介电层实现对电磁波的完全控制，需要精密复杂的结构，这限制了可用的微纳制造方法。Liu等[191]通过激光直写3D打印与蚀刻技术，基于全硅超表面形成了透射型极化无关的长波红外（LWIR）微透镜阵列[图13（e）和（f）]。考虑到单步光刻与标准集成电路兼容制造工艺的特性，基于超表面的微透镜阵列可应用于紧凑型热成像系统。在纳米领域，加工成本与工艺难度是主要考虑因素，因此有研究采用3D打印技术制备THz波段衍射光栅与新型透镜，可在相应频率范围内实现高分辨率成像[102,192]。针对远场微波成像质量问题，Yurduseven等[193]提出了一种基于增材制造频率分集超表面天线的计算成像系统。该超表面成像系统采用PLA与导电聚合物材料，通过简单的全电子扫频方式实现微波成像。与传统制造技术相比，这种新型超表面成像系统制造方法成本更低、耗时更短，且无需机械扫描与有源电路元件。

综上所述，全息成像与透镜成像均对电磁超材料提出了小型化、高精度等要求，因此采用增材制造技术制备电磁超材料时需考虑打印精度，这也使得工艺成本成为制造商的主要考量因素。由于当前微纳尺度增材制造技术通常应用于高端场景，因此难以实现构件的大批量快速制备。

4.4 无线电能传输

无线电能传输（WPT）是当前的研究热点[194]，其基于无线电波实现能量从一个设备到另一个设备的传输。该技术在远程控制、无人驾驶汽车、移动设备等领域具有巨大应用潜力。电磁超材料可灵活调控电磁波与电磁场，其与无线电能传输器件结合，可提升能量传输效率与储能能力。2013年，研究人员利用强耦合共振原理，实现了2 m距离的近场能量传输[195]。此后，WPT技术先后基于近场电磁感应或共振耦合、远场辐射系统形成方案，并逐渐应用于生活与工程领域[196]。电磁超材料的出现进一步提升了WPT技术的性能，文献[197]中，研究人员设计并制备了超材料透镜以提升基于磁耦合共振的WPT效率[图14（a）]，但该透镜工作频率仅为27 MHz，传输距离为50 cm，应用受限。随后，Fan等[198]与Ranaweera等[199]分别采用双层结构与三螺旋结构的超材料周期单元，在发射线圈与接收线圈之间插入多块超材料板，以提升WPT效率与传输距离[图14（b）和（c）]。

除作为中间传输放大器外，开口SRR等特殊超材料周期单元还可作为WPT的谐振器。基于宽带圆形SRR结构的谐振器，可收集入射电磁波并引导所收集的能量，从而提升传输效率[200]，如图14（d）所示。为进一步实现多聚焦高效WPT，Zhang等[201]提出一种具有独立调控特性的双极化近场聚焦（NFF）超表面，并应用于WPT系统。在相同条件下，该系统接收的功率比非近场聚焦系统高15 dB [图14（e）~（h）]。动态可调超材料可更灵活地调控电磁波，满足高效无线电能传输需求。Smith团队[202]提出一种基于动态超表面孔径平台的射频波段电能传输方案，该方案可大幅扩展传输范围，并抑制无关区域的电磁辐射。其中，超材料作为动态可调反射器，可偏转波束并聚焦入射波，实现类似无线通信中继器的效果。与相控阵等传统技术相比，超材料孔径可以更低成本实现动态聚焦。为避免传统PCB打印超表面存在的需特殊基底制备、工艺灵活性不足等缺点，有研究通过FDM技术制备出一种双材料复合超表面，并对比了PCB制造电磁超表面与3D打印超表面在2.4 GHz频段的能量收集能力[203]。在特定频段内，3D打印超表面导电性较低，能量转换效率不足，仅为传统PCB打印超表面的1/3。因此，需开发提升3D打印超表面能量转换效率的技术，以充分发挥其快速成形、多材料兼容、低成本的优势。

WPT技术摆脱了传统导线束缚，具有灵活性强、操作简便的优势。但如上述研究所述，将增材制造超材料应用于WPT仍面临诸多问题，包括能量转换效率、工艺稳定性等。另外，电磁超材料在低频区域（< 2 GHz）无法充分发挥优势，而手机无线充电等日常应用场景的频率范围通常为千赫兹（kHz）级别。因此，仍须持续针对电磁超材料的低频性能进行研究。

5 结论与展望

尽管超材料研究起步较晚，但发展速度迅猛，已逐渐成为探索新型材料特性的重要设计思路[204]。在电磁领域，超材料凭借可定制的材料特性及外界刺激下的可调特性，展现出优异的多样性，具备调控电磁波强度、相位、频率等非常规特性。此外，随着人工结构从宏观向微观拓展，电磁超材料的应用范围已覆盖大部分电磁波段。电磁超材料结构与功能的多样性，使其在天线、隐形斗篷、成像器件、无线电能传输系统等3D打印技术支持的领域具有广泛应用前景[205]。在理论不断完善的同时，成形工艺的进步也优化了电磁超材料的性能。高分辨率、跨尺度、多材料结构的制造技术在电磁超材料发展过程中备受关注，而能够实现智能材料结构与功能设计的3D/4D打印技术，将成为电磁超材料制造的核心技术。

增材制造技术本身在表面粗糙度、内部孔隙率、尺寸偏差等方面缺陷，且这些缺陷对电磁超材料性能的影响尚不明确。对于一般结构而言，打印速度过快会导致成形质量下降，结构孔隙率增加；但电磁波会受到结构内部孔隙率的影响，甚至可能使电磁超材料获得更优异的电磁性能。因此，未来需研究不同增材制造工艺、宏微观缺陷与电磁特性之间的关联，并结合后处理工艺调控电磁超材料的成形质量，以实现最优电磁性能。尤其值得注意的是，先进4D打印技术与人工智能设计优化相结合，是制备功能集成与智能响应型电磁超材料的潜在方法。

5.1 功能集成

电磁超材料是电磁领域的新型人工材料，优化与提升其电磁性能是重要发展方向。在工作带宽方面，电磁超材料需能根据应用场景调控特定电磁波，具备多频段、宽频带调控及频率选择能力。在窄工作带宽内，可轻松控制电磁超材料的介电常数与磁导率，实现阻抗匹配，赋予其频率选择性。当前，宽工作频率范围的应用逐渐成为主流，电磁超材料正向宽带领域拓展。为满足性能需求，研究人员设计出可响应电磁波并调控多频率点的超材料周期单元，具体方式包括平面多频率响应排列、加载集总电路元件、多层堆叠、加载电阻膜等[206‒215]。研究不仅关注宽带与多频段特性，还考虑了极化与角度敏感性能，包括斜入射下单元有效工作尺寸变化导致的频率偏移，以及角度变化引起的阻抗不匹配问题。因此，根据不同应用需求形成了两个研究方向：保留极化敏感性以实现滤波、检测与参数估计[3,72,216]；通过提高结构对称性消除各向异性，设计极化无关电磁超材料用于电磁吸收[217‒218]。

此外，电磁超材料由大量人工结构单元组成，这些单元阵列的工程化实现及其力学、热学等性能的优化问题，也限制了电磁超材料的应用。然而，大多数实际应用中的电磁超材料，除电磁特性外，在其他性能方面存在不足。大尺寸电磁超材料的工程可行性与长使用寿命保障仍是亟待解决的问题。例如，采用电磁斗篷实现目标完美隐身时，轻量化与抗干扰能力是需重点考虑的问题；而应用于航空器的电磁超材料，需满足低风阻、易与载体共形的特性。目前，在电磁超材料成形前，需对大量超材料微结构进行精确仿真计算，并不断优化运行模型[74,219]。通过仿真实验与数值分析，验证电磁超材料结构的电磁与力学性能，以实现结构优化。然而通常需考虑结构加工的可行性，并根据实际情况修改完善现有结构，这限制了结构的设计自由度。增材制造工艺符合“所见即所得”的特点，可实现跨尺度制造，在保证电磁性能满足使用需求的同时，实现多功能集成（图15）。

5.2 智能响应

如上所述，电磁超材料的发展始终伴随着智能材料的持续创新与应用。但目前智能电磁超材料的集成化实现难度较大，将其与4D打印技术相结合，是有效提升其智能化水平的关键手段（图15）。这就需要研发适配4D打印的专用材料，使电磁超材料能够响应外界环境的多样化变化，并展现出相应的电磁调控性能。例如，多数4D打印智能材料（如形状记忆聚合物）的介电常数与磁导率特性均无法满足吸波性能要求，因此需在形状记忆聚合物中添加吸波填料制备复合材料，且该改性过程不能破坏基体材料本身的响应速率与形变程度。碳基材料兼具优良的导电性与导热性，常被用作高效吸波介质，能够有效提升电磁能量的衰减与转换效率。已有研究利用炭黑优异的导热性能，增强光响应型形状记忆聚合物的光热转换效率，实现了由外界光照触发的快速形状回复[220]。由此可见，选用碳基材料等具备多重物理特性的原料并用于电磁超材料的4D打印成形，可实现精准且稳定的智能化调控。此外，还需拓展智能材料的响应方式，使电磁超材料在复杂电磁环境中，或远离外部激励源的条件下，实现快速、定量且可控的形变。

当前，成形制造领域的协同创新仍存在不足。现有4D打印技术依旧依托传统3D打印的工艺与设备体系，但其打印本身所用材料的物性特征已产生差异。与3D打印工艺一致，4D打印同样分为两种加工尺度。其一是在宏观尺度范围内的大尺寸成形技术，如应用于隐身飞行器表面的智能电磁超材料打印，这就要求4D打印技术具备较高的成形效率，从而缩短电磁超材料的制备周期。其二为微纳尺度4D打印技术，该技术将微纳尺度3D打印工艺与智能响应材料相结合，用于制备超小型的刺激响应式动态器件。受物理尺度缩小的影响，微纳级智能构件对激励源的敏感度、响应程度及响应形式均存在显著差异。同时，随着电磁超材料的应用环境日趋复杂，单一材料已无法满足使用需求。因此，行业亟需兼具高分辨率、高成形速率与多材料适配性的4D打印工艺，以实现多尺度、复杂几何形貌的智能电磁超材料的快速制备。

最后，智能电磁超材料的4D打印通常包含打印成形态与形变转变态两个阶段，且需对这两种状态同时实现精准调控[221]。基于此，须建立能够精准预测并优化电磁超材料形变规律的理论模型与设计方法，并针对智能构件的4D打印成形，制定有效的性能评价方法与验证体系。目前常用于动态性能检测的手段主要为原位测量与过程监测。动态在线检测需在4D打印智能电磁构件的形变过程中进行多阶段取样，整合几何精度、温度场分布、位移-应变场等多维度综合检测结果，并将其与工艺设计阶段的仿真模拟结果进行对比，以此验证并评估仿真模型的准确性。通过仿真分析与形变性能评价，最终可实现基于电尺寸成形精度与表面完整性的形貌调控、基于成形件电磁特性的性能调控，以及基于电磁超材料应用特征的功能调控。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	Watts CM, Liu XL, Padilla WJ. Metamaterial electromagnetic wave absorbers. Adv Mater 2012;24(23). OP98‒120. . 10.1002/adma.201290138

[2]	Vakil A, Engheta N. Transformation optics using graphene. Science 2011;332(6035):1291‒4. . 10.1126/science.1202691

[3]	Grady NK, Heyes JE, Chowdhury DR, Zeng Y, Reiten MT, Azad AK, et al. Terahertz metamaterials for linear polarization conversion and anomalous refraction. Science 2013;340(6138):1304‒7. . 10.1126/science.1235399

[4]	Viktor VG. The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ . Sov Phys Usp 1968;10(4):509. . 10.1070/pu1968v010n04abeh003699

[5]	Yablonovitch E. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics. Phys Rev Lett 1987;58(20):2059‒62. . 10.1103/physrevlett.58.2059

[6]	John S. Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices. Phys Rev Lett 1987;58(23):2486‒9. . 10.1103/physrevlett.58.2486

[7]	Leonhardt U. Optical conformal mapping. Science 2006;312(5781):1777‒80. . 10.1126/science.1126493

[8]	Pendry JB, Schurig D, Smith DR. Controlling electromagnetic fields. Science 2006;312(5781):1780‒2. . 10.1126/science.1125907

[9]	Holloway CL, Kuester EF, Gordon JA, O’Hara J, Booth J, Smith DR. An overview of the theory and applications of metasurfaces: the two-dimensional equivalents of metamaterials. IEEE Antennas Propag Mag 2012;54(2):10‒35. . 10.1109/map.2012.6230714

[10]	Della Giovampaola C, Engheta N. Digital metamaterials. Nat Mater 2014;13(12):1115‒21. . 10.1038/nmat4082

[11]	Cui TJ, Qi MQ, Wan X, Zhao J, Cheng Q. Coding metamaterials, digital metamaterials and programmable metamaterials. Light Sci Appl 2014;3(10): e218. . 10.1038/lsa.2014.99

[12]	Liu R, Zhao Z, Ji C, Zhou T. Metamaterials beyond negative refractive index: applications in telecommunication and sensing. Sci China Technol Sci 2016;59(7):1007‒11. . 10.1007/s11431-016-6066-6

[13]	Shelby RA, Smith DR, Schultz S. Experimental verification of a negative index of refraction. Science 2001;292(5514):77‒9. . 10.1126/science.1058847

[14]	Chieh JCS, Dick B, Loui S, Rockway JD. Development of a Ku-band corrugated conical horn using 3-D print technology. IEEE Antennas Wirel Propag Lett 2014;13:201‒4. . 10.1109/lawp.2014.2301169

[15]	Huang GL, Zhou SG, Sim CYD, Chio TH, Yuan T. Lightweight perforated waveguide structure realized by 3-D printing for RF applications. IEEE Trans Antenn Propag 2017;65(8):3897‒904. . 10.1109/tap.2017.2715360

[16]	Wang J, Liu S, Guruswamy S, Nahata A. Injection molding of free-standing, three-dimensional, all-metal terahertz metamaterials. Adv Opt Mater 2014;2(7):663‒9. . 10.1002/adom.201400094

[17]	Tariq A, Arif ZU, Khalid MY, Hossain M, Rasool PI, Umer R, et al. Recent advances in the additive manufacturing of stimuli-responsive soft polymers. Adv Eng Mater 2023;25(21):2301074. . 10.1002/adem.202301074

[18]	Arif ZU, Khalid MY, Noroozi R, Sadeghianmaryan A, Jalalvand M, Hossain M. Recent advances in 3D-printed polylactide and polycaprolactone-based biomaterials for tissue engineering applications. Int J Biol Macromol 2022;218:930‒68. . 10.1016/j.ijbiomac.2022.07.140

[19]	DebRoy T, Wei HL, Zuback JS, Mukherjee T, Elmer JW, Milewski JO, et al. Additive manufacturing of metallic components—process, structure and properties. Prog Mater Sci 2018;92:112‒224. . 10.1016/j.pmatsci.2017.10.001

[20]	Aboulkhair NT, Simonelli M, Parry L, Ashcroft I, Tuck C, Hague R. 3D printing of aluminium alloys: additive manufacturing of aluminium alloys using selective laser melting. Prog Mater Sci 2019;106:100578. . 10.1016/j.pmatsci.2019.100578

[21]	Fan K, Padilla WJ. Dynamic electromagnetic metamaterials. Mater Today 2015;18(1):39‒50. . 10.1016/j.mattod.2014.07.010

[22]	Yarali E, Mirzaali MJ, Ghalayaniesfahani A, Accardo A, Diaz-Payno PJ, Zadpoor AA. 4D printing for biomedical applications. Adv Mater 2024;36(31):2402301. . 10.1002/adma.202402301

[23]	Khalid MY, Arif ZU, Tariq A, Hossain M, Ahmed Khan K, Umer R. 3D printing of magneto-active smart materials for advanced actuators and soft robotics applications. Eur Polym J 2024;205:112718. . 10.1016/j.eurpolymj.2023.112718

[24]	Arif ZU, Khalid MY, Tariq A, Hossain M, Umer R. 3D printing of stimuli-responsive hydrogel materials: literature review and emerging applications. Giant 2024;17:100209. . 10.1016/j.giant.2023.100209

[25]	Lendlein A, Kelch S. Shape-memory polymers. Angew Chem Int Ed 2002;41(12):2034‒57. . 10.1002/1521-3773(20020617)41:12<2034::aid-anie2034>3.0.co;2-m

[26]	Zhang X, Chen L, Lim KH, Gonuguntla S, Lim KW, Pranantyo D, et al. The pathway to intelligence: using stimuli-responsive materials as building blocks for constructing smart and functional systems. Adv Mater 2019;31(11):1804540. . 10.1002/adma.201804540

[27]	Hunt J, Driscoll T, Mrozack A, Lipworth G, Reynolds M, Brady D, et al. Metamaterial apertures for computational imaging. Science 2013;339(6117):310‒3. . 10.1126/science.1230054

[28]	Jeong H, Park E, Lim S. Four-dimensional printed shape memory metasurface to memorize absorption and reflection functions. ACS Appl Mater Interfaces 2021;13(49):59487‒96. . 10.1021/acsami.1c17968

[29]	Hao X, Yin X, Zhang L, Cheng L. Dielectric, electromagnetic interference shielding and absorption properties of Si₃N₄-PyC composite ceramics. J Mater Sci Technol 2013;29(3):249‒54. . 10.1016/j.jmst.2013.01.011

[30]	Im K, Kang JH, Park QH. Universal impedance matching and the perfect transmission of white light. Nat Photonics 2018;12(3):143‒9. . 10.1038/s41566-018-0098-3

[31]	Iqbal A, Sambyal P, Koo CM. 2D MXenes for electromagnetic shielding: a review. Adv Funct Mater 2020;30(47):2000883. . 10.1002/adfm.202070307

[32]	Chung DDL. Materials for electromagnetic interference shielding. J Mater Eng Perform 2000;9(3):350‒4. . 10.1361/105994900770346042

[33]	Yusoff AN, Abdullah MH, Ahmad SH, Jusoh SF, Mansor AA, Hamid SAA. Electromagnetic and absorption properties of some microwave absorbers. J Appl Phys 2002;92(2):876‒82. . 10.1063/1.1489092

[34]	Al-Saleh MH, Sundararaj U. Electromagnetic interference shielding mechanisms of CNT/polymer composites. Carbon 2009;47(7):1738‒46. . 10.1016/j.carbon.2009.02.030

[35]	Wen B, Cao M, Lu M, Cao W, Shi H, Liu J, et al. Reduced graphene oxides: light-weight and high-efficiency electromagnetic interference shielding at elevated temperatures. Adv Mater 2014;26(21):3484‒9. . 10.1002/adma.201400108

[36]	González M, Pozuelo J, Baselga J. Electromagnetic shielding materials in GHz range. Chem Rec 2018;18(7‒8):1000‒9. . 10.5772/62508

[37]	Baah M, Paddubskaya A, Novitsky A, Valynets N, Kumar M, Itkonen T, et al. All-graphene perfect broadband THz absorber. Carbon 2021;185:709‒16. . 10.1016/j.carbon.2021.09.067

[38]	Paddubskaya A, Valynets N, Maksimenko S, Kumar M, Baah M, Pekkarinen M, et al. Terahertz absorber with graphene enhanced polymer hemispheres array. Nanomaterials 2021;11(10):2494. . 10.3390/nano11102494

[39]	Zhu J, Ma Z, Sun W, Ding F, He Q, Zhou L, et al. Ultra-broadband terahertz metamaterial absorber. Appl Phys Lett 2014;105(2):021102. . 10.1063/1.4890521

[40]	Jakšić Z, Popović Z, Djerdj I, Jaćimović ZK, Radulović K. Functionalization of plasmonic metamaterials utilizing metal‒organic framework thin films. Phys Scr 2012;2012(T149):014051.

[41]	Li L, Wang J, Wang J, Du H, Huang H, Zhang J, et al. All-dielectric metamaterial frequency selective surfaces based on high-permittivity ceramic resonators. Appl Phys Lett 2015;106(21):212904. . 10.1063/1.4921712

[42]	Yang Z, Luo F, Zhou W, Zhu D, Huang Z. Design of a broadband electromagnetic absorbers based on TiO₂/Al₂O₃ ceramic coatings with metamaterial surfaces. J Alloys Compounds 2016;687:384‒8. . 10.1016/j.jallcom.2016.06.166

[43]	Luo W, Yan S, Zhou J. Ceramic-based dielectric metamaterials. Interdiscip Mater 2022;1(1):11‒27. . 10.1002/idm2.12012

[44]	Isakov DV, Lei Q, Castles F, Stevens CJ, Grovenor CRM, Grant PS. 3D printed anisotropic dielectric composite with meta-material features. Mater Des 2016;93:423‒30. . 10.1016/j.matdes.2015.12.176

[45]	Wang Y, Fan ZW, Zhang H, Guo J, Yan DX, Wang S, et al. 3D-printing of segregated carbon nanotube/polylactic acid composite with enhanced electromagnetic interference shielding and mechanical performance. Mater Des 2021;197:109222. . 10.1016/j.matdes.2020.109222

[46]	Wickramasinghe S, Do T, Tran P. FDM-Based 3D printing of polymer and associated composite: a review on mechanical properties, defects and treatments. Polymers 2020;12(7):1529. . 10.3390/polym12071529

[47]	Yoon Y, Lim D, Tentzeris MM, Lim S. Low-cost metamaterial absorber using three-dimensional circular truncated cone. Microw Opt Technol Lett 2018;60(7):1622‒30. . 10.1002/mop.31211

[48]	Kim M, Jeong H, Lim D, Ghosh S, Lim S. Low-cost and miniaturized metamaterial absorber using 3D printed swastika symbol. Microw Opt Technol Lett 2020;62(4):1709‒15. . 10.1002/mop.32221

[49]	Quan H, Zhang T, Xu H, Luo S, Nie J, Zhu X. Photo-curing 3D printing technique and its challenges. Bioact Mater 2020;5(1):110‒5. . 10.1016/j.bioactmat.2019.12.003

[50]	Zhang X, Jiang XN, Sun C. Micro-stereolithography of polymeric and ceramic microstructures. Sens Actuators A 1999;77(2):149‒56. . 10.1016/s0924-4247(99)00189-2

[51]	Herzog D, Seyda V, Wycisk E, Emmelmann C. Additive manufacturing of metals. Acta Mater 2016;117:371‒92. . 10.1016/j.actamat.2016.07.019

[52]	Olakanmi EO, Cochrane RF, Dalgarno KW. A review on selective laser sintering/melting (SLS/SLM) of aluminium alloy powders: processing, microstructure, and properties. Prog Mater Sci 2015;74:401‒77. . 10.1016/j.pmatsci.2015.03.002

[53]	Ma TB, Ma H, Ruan KP, Shi XT, Qiu H, Gao SY, et al. Thermally conductive poly (lactic acid) composites with superior electromagnetic shielding performances via 3D printing technology. Chin J Polym Sci 2022;40(3):248‒55. . 10.1007/s10118-022-2673-9

[54]	Zhou R, Wang Y, Liu Z, Pang Y, Chen J, Kong J. Digital light processing 3D-printed ceramic metamaterials for electromagnetic wave absorption. Nano-Micro Lett 2022;14(1):122. . 10.1007/s40820-022-00865-x

[55]

Ratni B, de Lustrac A, Piau GP, Burokur SN. 3D printed gradient index dielectric metasurface for beam steering applications. In: Proceedings of the 2017 11th European Conference On Antennas And Propagation (Eucap); 2017 Mar 19‒24; Paris, France. Piscataway: IEEE; 2017. p. 3402‒4. . 10.23919/eucap.2017.7928200

[56]	Zhang KP, Liao YF, Qiu B, Zheng YK, Yu LK, He GH, et al. 3D printed embedded metamaterials. Small 2021;17(50):2103262. . 10.1002/smll.202103262

[57]	Nelson EC, Garcia-Santamaria F, Braun PV. Lattice-registered two-photon polymerized features within colloidal photonic crystals and their optical properties. Adv Funct Mater 2008;18(13):1983‒9. . 10.1002/adfm.200800206

[58]	Tibbits S. The emergence of “4D printing”. Report. Monterey: TED; 2013. . 10.1002/ad.1710

[59]	Momeni F, Hassani M, Liu X, Ni J. A review of 4D printing. Mater Des 2017;122:42‒79. . 10.1016/j.matdes.2017.02.068

[60]	Li X, Shang J, Wang Z. Intelligent materials: a review of applications in 4D printing. Assem Autom 2017;37(2):170‒85. . 10.1108/aa-11-2015-093

[61]	Smith DR, Schultz S, Markoš P, Soukoulis CM. Determination of effective permittivity and permeability of metamaterials from reflection and transmission coefficients. Phys Rev B 2002;65(19):195104. . 10.1103/physrevb.65.195104

[62]	Chen XD, Grzegorczyk TM, Wu BI, Pacheco J, Kong JA. Robust method to retrieve the constitutive effective parameters of metamaterials. Phys Rev E 2004;70(1):016608. . 10.1103/physreve.70.016608

[63]	Smith DR, Vier DC, Koschny T, Soukoulis CM. Electromagnetic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials. Phys Rev E 2005;71(3):036617. . 10.1103/physreve.71.036617

[64]	Ziolkowski RW. Design, fabrication, and testing of double negative metamaterials. IEEE Trans Antennas Propag 2003;51(7):1516‒29. . 10.1109/TAP.2003.813622

[65]	O’Brien S, Pendry JB. Magnetic activity at infrared frequencies in structured metallic photonic crystals. J Phys 2002;14(25):6383. . 10.1088/0953-8984/14/25/307

[66]	Costa F, Monorchio A, Manara G. Analysis and design of ultra thin electromagnetic absorbers comprising resistively loaded high impedance surfaces. IEEE Trans Antennas Propag 2010;58(5):1551‒8. . 10.1109/tap.2010.2044329

[67]	Costa F, Monorchio A, Manara G. Efficient analysis of frequency-selective surfaces by a simple equivalent-circuit model. IEEE Antennas Propag Mag 2012;54(4):35‒48. . 10.1109/MAP.2012.6309153

[68]	Markoš P, Soukoulis CM. Transmission properties and effective electromagnetic parameters of double negative metamaterials. Opt Express 2003;11(7):649‒61.

[69]	Chen HT. Interference theory of metamaterial perfect absorbers. Opt Express 2011;20(7):7165‒72. . 10.1364/OE.20.007165

[70]	Liu X, Zhao Q, Lan C, Zhou J. Isotropic Mie resonance-based metamaterial perfect absorber. Appl Phys Lett 2013;103(3):031910. . 10.1063/1.4813914

[71]	Peng XY, Wang B, Lai S, Zhang DH, Teng JH. Ultrathin multi-band planar metamaterial absorber based on standing wave resonances. Opt Express 2012;20(25):27756‒65. . 10.1364/OE.20.027756

[72]	Cong L, Cao W, Zhang X, Tian Z, Gu J, Singh R, et al. A perfect metamaterial polarization rotator. Appl Phys Lett 2013;103(17):171107. . 10.1063/1.4826536

[73]	Lubkowski G, Schuhmann R, Weiland T. Extraction of effective metamaterial parameters by parameter fitting of dispersive models. Microw Opt Technol Lett 2007;49(2):285‒8. . 10.1002/mop.22105

[74]	Yang Y, Ji C, Deng K. Rapid design of metamaterials via multitarget Bayesian optimization. Ann Appl Stat 2021;15(2):768‒96. . 10.1214/20-aoas1426

[75]	Soukoulis CM, Wegener M. Past achievements and future challenges in the development of three-dimensional photonic metamaterials. Nat Photonics 2011;5(9):523‒30. . 10.1038/nphoton.2011.154

[76]	He Q, Sun S, Xiao S, Zhou L. High-efficiency metasurfaces: principles, realizations, and applications. Adv Opt Mater 2018;19(6):1800415.

[77]	Martini E, Sardi GM, Maci S. Homogenization processes and retrieval of equivalent constitutive parameters for multisurface-metamaterials. IEEE Trans Antennas Propag 2014;62(4):2081‒92. . 10.1109/tap.2014.2300169

[78]	Liu Y, Jin X, Zhou X, Luo Y, Song K, Huang L, et al. A phased array antenna with a broadly steerable beam based on a low-loss metasurface lens. J Phys D 2016;49(40):405304. . 10.1088/0022-3727/49/40/405304

[79]	Yu N, Capasso F. Flat optics with designer metasurfaces. Nat Mater 2014;13(2):139‒50. . 10.1038/nmat3839

[80]	Hsiao HH, Chu CH, Tsai DP. Fundamentals and applications of metasurfaces. Small Methods 2017;1(4):1600064. . 10.1002/smtd.201770041

[81]	Yu N, Genevet P, Kats MA, Aieta F, Tetienne JP, Capasso F, et al. Light propagation with phase discontinuities: generalized laws of reflection and refraction. Science 2011;334(6054):333‒7. . 10.1126/science.1210713

[82]	Sun S, He Q, Xiao S, Xu Q, Li X, Zhou L. Gradient-index meta-surfaces as a bridge linking propagating waves and surface waves. Nat Mater 2012;11(5):426‒31. . 10.1038/nmat3292

[83]	Pfeiffer C, Grbic A. Metamaterial Huygens’ surfaces: tailoring wave fronts with reflectionless sheets. Phys Rev Lett 2013;110(19):197401. . 10.1103/physrevlett.110.197401

[84]	Jiang Z, Liang Q, Li Z, Lv P, Chen T, Li D. Experimental demonstration of a 3D-printed arched metasurface carpet cloak. Adv Opt Mater 2019;7(15):1900475. . 10.1002/adom.201900475

[85]	Yin H, Liang Q, Duan Y, Fan J, Li Z. 3D printing of a thermally programmable conformal metasurface. Adv Mater Technol 2022;7(7):2101479. . 10.1002/admt.202270040

[86]	Stuardo P, Pizarro F, Rajo-Iglesias E. 3D-printed Sievenpiper metasurface using conductive filaments. Materials 2020;13(11):2614. . 10.3390/ma13112614

[87]	Gregoire DJ. 3-D conformal metasurfaces. IEEE Antennas Wirel Propag Lett 2013;12:233‒6. . 10.1109/lawp.2013.2247017

[88]	Mei H, Yang W, Zhao X, Yao L, Yao Y, Chen C, et al. In-situ growth of SiC nanowires@carbon nanotubes on 3D printed metamaterial structures to enhance electromagnetic wave absorption. Mater Des 2021;197:109271. . 10.1016/j.matdes.2020.109271

[89]	Lim D, Yu S, Lim S. Miniaturized metamaterial absorber using three-dimensional printed stair-like jerusalem cross. IEEE Access 2018;6:43654‒9. . 10.1109/access.2018.2862160

[90]	Jiang W, Yan L, Ma H, Fan Y, Wang J, Feng M, et al. Electromagnetic wave absorption and compressive behavior of a three-dimensional metamaterial absorber based on 3D printed honeycomb. Sci Rep 2018;8(1):4817. . 10.1038/s41598-018-23286-6

[91]	Assimon SD, Fusco V . insensitivePolarization, wide-angle, ultra-wideband, flexible, loadedresistively, electromagnetic metamaterial absorber using conventional inkjet-printing technology. Sci Rep 2019;9:12334. . 10.1038/s41598-019-48761-6

[92]	Zhou Y, Shen Z, Huang X, Wu J, Li Y, Huang S, et al. Ultra-wideband water-based metamaterial absorber with temperature insensitivity. Phys Lett A 2019;383(23):2739‒43. . 10.1016/j.physleta.2019.05.050

[93]	Zhou D, Huang X, Du Z. Analysis and design of multilayered broadband radar absorbing metamaterial using the 3-D printing technology-based method. IEEE Antennas Wirel Propag Lett 2017;16:133‒6. . 10.1109/lawp.2016.2560904

[94]	Xiong YJ, Wang Y, Wang Q, Wang CQ, Huang XZ, Zhang F, et al. Structural broadband absorbing metamaterial based on three-dimensional printing technology. Acta Phys Sin 2018;67(8):084202. . 10.7498/aps.67.20172262

[95]	Ghosh S, Lim S. Perforated lightweight broadband metamaterial absorber based on 3-D printed honeycomb. IEEE Antennas Wirel Propag Lett 2018;17(12):2379‒83. . 10.1109/lawp.2018.2876023

[96]	Chen X, Wu Z, Zhang Z, Zou Y. Ultra-broadband and wide-angle absorption based on 3D-printed pyramid. Opt Laser Technol 2020;124:105972. . 10.1016/j.optlastec.2019.105972

[97]	Kjelgård KG, Wisland DT, Lande TS. 3D printed wideband microwave absorbers using composite graphite/PLA filament. In: Proceedings of the 2018 48th European Microwave Conference (Eumc); 2018 Sep 23‒27; Madrid, Spain. Piscataway: IEEE; 2018. p. 859‒62. . 10.23919/eumc.2018.8541699

[98]	Yang D, Yin Y, Zhang Z, Li D, Cao Y. Wide-angle microwave absorption properties of multilayer metamaterial fabricated by 3D printing. Mater Lett 2020;281:128571. . 10.1016/j.matlet.2020.128571

[99]	An Q, Li D, Liao W, Liu T, Joralmon D, Li X, et al. A novel ultra-wideband electromagnetic-wave-absorbing metastructure inspired by bionic gyroid structures. Adv Mater 2023;35(26):e2300659. . 10.1002/adma.202300659

[100]

Li W, Wu T, Wang W, Guan J, Zhai P. Integrating non-planar metamaterials with magnetic absorbing materials to yield ultra-broadband microwave hybrid absorbers. Appl Phys Lett 2014;104(2):022903. . 10.1063/1.4862262

[101]

Xie Y, Ye S, Reyes C, Sithikong P, Popa BI, Wiley BJ, et al. Microwave metamaterials made by fused deposition 3D printing of a highly conductive copper-based filament. Appl Phys Lett 2017;110(18):181903. . 10.1063/1.4982718

[102]

Zhou F, Cao W, Dong B, Reissman T, Zhang W, Sun C. Additive manufacturing of a 3D terahertz gradient-refractive index lens. Adv Opt Mater 2016;4(7):1034‒40. . 10.1002/adom.201600033

[103]

Li S, Zhang L, Chen X. 3D-printed terahertz metamaterial absorber based on vertical split-ring resonator. J Appl Phys 2021;130(3):034504. . 10.1063/5.0056276

[104]

Kenanakis G, Xomalis A, Selimis A, Vamvakaki M, Farsari M, Kafesaki M, et al. Three-dimensional infrared metamaterial with asymmetric transmission. ACS Photonics 2015;2(2):287‒94. . 10.1021/ph5003818

[105]

Sakellari I, Yin X, Nesterov ML, Terzaki K, Xomalis A, Farsari M. 3D chiral plasmonic metamaterials fabricated by direct laser writing: the twisted omega particle. Adv Opt Mater 2017;5(16):1700200. . 10.1002/adom.201700200

[106]

Han X, Zhang D, Li X, Li Y. Bio-replicated forming of the biomimetic drag-reducing surfaces in large area based on shark skin. Chin Sci Bull 2008;53(10):1587‒92. . 10.1007/s11434-008-0219-3

[107]

Parker AR, Lawrence CR. Water capture by a desert beetle. Nature 2001;414(6859):33‒4. . 10.1038/35102108

[108]

Thielen M, Schmitt CNZ, Eckert S, Speck T, Seidel R. Structure-function relationship of the foam-like pomelo peel (citrus maxima)—an inspiration for the development of biomimetic damping materials with high energy dissipation. Bioinspir Biomim 2013;8(2):025001. . 10.1088/1748-3182/8/2/025001

[109]

Jones CJ, Aizawa S. The bacterial flagellum and flagellar motor: structure, assembly and function. Adv Microb Physiol 1991;32:109‒72. . 10.1016/s0065-2911(08)60007-7

[110]

Zhai L, Berg MC, Cebeci FÇ, Kim Y, Milwid JM, Rubner MF, et al. Patterned superhydrophobic surfaces: toward a synthetic mimic of the namib desert beetle. Nano Lett 2006;6(6):1213‒7. . 10.1021/nl060644q

[111]

Zhang Z, Zhang L, Song B, Yao Y, Shi Y. Bamboo-inspired, simulation-guided design and 3D printing of light-weight and high-strength mechanical metamaterials. Appl Mater Today 2022;26:101268. . 10.1016/j.apmt.2021.101268

[112]

Li X, Yang J, Lv K, Papadopoulos P, Sun J, Wang D, et al. Salvinia-like slippery surface with stable and mobile water/air contact line. Natl Sci Rev 2021;8(5): nwaa153. . 10.1093/nsr/nwaa153

[113]

Wu H, Ji S, Zhao J, Jiang C, Dai H. Design and analysis of a five-band polarization-insensitive metamaterial absorber. Int J Antennas Propag 2020;2020:12. . 10.1155/2020/8827517

[114]

Huang L, Duan Y, Liu J, Zeng Y, Ma G, Pang H, et al. Bionic composite metamaterials for harvesting of microwave and integration of multifunctionality. Compos Sci Technol 2021;204:108640. . 10.1016/j.compscitech.2020.108640

[115]

Li A, Zhang W, Ghaffarivardavagh R, Wang X, Anderson SW, Zhang X. Towards uniformly oriented diatom frustule monolayers: experimental and theoretical analyses. Microsyst Nanoeng 2016;2:16064. . 10.1038/micronano.2016.64

[116]

Li A, Zhao X, Duan G, Anderson S, Zhang X. Diatom frustule-inspired metamaterial absorbers: the effect of hierarchical pattern arrays. Adv Funct Mater 2019;29(22):1809029. . 10.1002/adfm.201970151

[117]

Sadeqi A, Nejad HR, Owyeung RE, Sonkusale S. Three dimensional printing of metamaterial embedded geometrical optics (MEGO). Microsyst Nanoeng 2019;5(1):16. . 10.1038/s41378-019-0053-6

[118]

Devi U, Pejman R, Phillips ZJ, Zhang P, Soghrati S, Nakshatrala KB, et al. A microvascular-based multifunctional and reconfigurable metamaterial. Adv Mater Technol 2021;11(6):2100433.

[119]

Zhang F, Feng S, Qiu K, Liu Z, Fan Y, Zhang W, et al. Mechanically stretchable and tunable metamaterial absorber. Appl Phys Lett 2015;106(9):091907. . 10.1063/1.4914502

[120]

Liu J, Hong Z. Mechanically tunable dual frequency THz metamaterial filter. Opt Commun 2018;426:598‒601. . 10.1016/j.optcom.2018.06.019

[121]

Han Z, Kohno K, Fujita H, Hirakawa K, Toshiyoshi H. MEMS reconfigurable metamaterial for terahertz switchable filter and modulator. Opt Express 2014;22(18):21326‒39. . 10.1364/oe.22.021326

[122]

Unlu M, Hashemi MR, Berry CW, Li S, Yang SH, Jarrahi M. Switchable scattering meta-surfaces for broadband terahertz modulation. Sci Rep 2014;4(1):5708. . 10.1038/srep05708

[123]

Unlu M, Jarrahi M. Miniature multi-contact MEMS switch for broadband terahertz modulation. Opt Express 2014;22(26):32245‒60. . 10.1364/oe.22.032245

[124]

Kan T, Isozaki A, Kanda N, Nemoto N, Konishi K, Takahashi H, et al. Enantiomeric switching of chiral metamaterial for terahertz polarization modulation employing vertically deformable MEMS spirals. Nat Commun 2015;6:8422. . 10.1038/ncomms9422

[125]

Chen HT, Padilla WJ, Zide JMO, Gossard AC, Taylor AJ, Averitt RD. Active terahertz metamaterial devices. Nature 2006;444(7119):597‒600. . 10.1038/nature05343

[126]

Costa F, Monorchio A, Talarico S, Valeri FM. An active high-impedance surface for low-profile tunable and steerable antennas. IEEE Antennas Wirel Propag Lett 2008;7:676‒80. . 10.1109/lawp.2008.2006070

[127]

Katko AR, Hawkes AM, Barrett JP, Cummer SA. RF limiter metamaterial using p-i-n diodes. IEEE Antennas Wirel Propag Lett 2012;10:1571‒4. . 10.1109/lawp.2011.2182490

[128]

Wu T, Li W, Chen S, Guan J. Wideband frequency tunable metamaterial absorber by splicing multiple tuning ranges. Results Phys 2021;20:103753. . 10.1016/j.rinp.2020.103753

[129]

Zhao YT, Wu B, Huang BJ, Cheng Q. Switchable broadband terahertz absorber/reflector enabled by hybrid graphene-gold metasurface. Opt Express 2017;25(7):7161‒9. . 10.1364/oe.25.007161

[130]

Arezoomandan S, Condori Quispe HO, Ramey N, Nieves CA, Sensale-Rodriguez B. Graphene-based reconfigurable terahertz plasmonics and metamaterials. Carbon 2017;112:177‒84. . 10.1016/j.carbon.2016.11.015

[131]

Lee SH, Choi M, Kim TT, Lee S, Liu M, Yin X, et al. Switching terahertz waves with gate-controlled active graphene metamaterials. Nat Mater 2012;11(11):936‒41. . 10.1038/nmat3433

[132]

Lin X, Wu J, Hu W, Zheng Z, Wu Z, Zhu G, et al. Self-polarizing terahertz liquid crystal phase shifter. AIP Adv 2011;1(3):032133. . 10.1063/1.3626560

[133]

Hashemi MRM, Yang SH, Wang T, Sepúlveda N, Jarrahi M. Electronically-controlled beam-steering through vanadium dioxide metasurfaces. Sci Rep 2016;6(1):35439. . 10.1038/srep35439

[134]

Padilla WJ, Taylor AJ, Highstrete C, Lee M, Averitt RD. Dynamical electric and magnetic metamaterial response at terahertz frequencies. Phys Rev Lett 2006;96(10):107401. . 10.1103/physrevlett.96.107401

[135]

Degiron A, Mock JJ, Smith DR. Modulating and tuning the response of metamaterials at the unit cell level. Opt Express 2007;15(3):1115‒27. . 10.1364/oe.15.001115

[136]

Zhang Y, Qiao S, Sun L, Shi QW, Huang W, Li L, et al. Photoinduced active terahertz metamaterials with nanostructured vanadium dioxide film deposited by sol‒gel method. Opt Express 2014;22(9):11070‒8. . 10.1364/oe.22.011070

[137]

Cao T, Wei C, Simpson RE, Zhang L, Cryan MJ. Broadband polarization-independent perfect absorber using a phase-change metamaterial at visible frequencies. Sci Rep 2014;4:3955. . 10.1038/srep03955

[138]

Chen HT, Yang H, Singh R, O’Hara JF, Azad AK, Trugman SA, et al. Tuning the resonance in high-temperature superconducting terahertz metamaterials. Phys Rev Lett 2010;105(24):247402. . 10.1103/physrevlett.105.247402

[139]

Seo M, Kyoung J, Park H, Koo S, Kim HS, Bernien H, et al. Active terahertz nanoantennas based on VO₂ phase transition. Nano Lett 2010; 10(6):2064‒8. . 10.1021/nl1002153

[140]

Tao H, Strikwerda AC, Fan K, Padilla WJ, Zhang X, Averitt RD. Reconfigurable terahertz metamaterials. Phys Rev Lett 2009;103(14):147401. . 10.1103/physrevlett.103.147401

[141]

Gan R, Yu M, Li S, Li Y, Fang B, Qi S. A magnetic control reconfigurable coded electromagnetic absorbing metamaterial. Compos Sci Technol 2022;217:109098. . 10.1016/j.compscitech.2021.109098

[142]

Kang L, Zhao Q, Zhao H, Zhou J. Magnetically tunable negative permeability metamaterial composed by split ring resonators and ferrite rods. Opt Express 2008;16(12):8825‒34. . 10.1364/oe.16.008825

[143]

Kasirga TS, Ertas YN, Bayindir M. Microfluidics for reconfigurable electromagnetic metamaterials. Appl Phys Lett 2009;95(21):214102. . 10.1063/1.3268448

[144]

Kim HK, Lee D, Lim S. A fluidically tunable metasurface absorber for flexible large-scale wireless ethanol sensor applications. Sensors 2016;16(8):1246. . 10.3390/s16081246

[145]

Qian T. Reconfigurable metasurface antenna based on the liquid metal for flexible scattering fields manipulation. Micromachines 2021;12(3):243. . 10.3390/mi12030243

[146]

Xiao D, Liu YJ, Yin S, Liu J, Ji W, Wang B, et al. Liquid-crystal-loaded chiral metasurfaces for reconfigurable multiband spin-selective light absorption. Opt Express 2018;26(19):25305‒14. . 10.1364/oe.26.025305

[147]

Li M, Shen L, Jing L, Xu S, Zheng B, Lin X, et al. Origami metawall: mechanically controlled absorption and deflection of light. Adv Sci 2019;6(23):1901434. . 10.1002/advs.201901434

[148]

Zhang W, Cheng K, Wu C, Wang Y, Li H, Zhang X. Implementing quantum search algorithm with metamaterials. Adv Mater 2018;30(1):1703986. . 10.1002/adma.201703986

[149]

Lee SH, Lee YK, Lee SH, Kwak J, Song HS, Seo M. Detection and discrimination of SARS-CoV-2 spike protein-derived peptides using THz metamaterials. Biosens Bioelectron 2022;202:113981. . 10.1016/j.bios.2022.113981

[150]

Zhao X, Duan G, Wu K, Anderson SW, Zhang X. Intelligent metamaterials based on nonlinearity for magnetic resonance imaging. Adv Mater 2019;31(49):1905461. . 10.1002/adma.201905461

[151]

He X, Yang Y, Deng L, Li S, Feng B. 3D printed sub-terahertz all-dielectric lens for arbitrary manipulation of quasi-nondiffractive orbital angular momentum waves. ACS Appl Mater Interfaces 2021;13(17):20770‒8. . 10.1021/acsami.1c01443

[152]

Jiang ZH, Gregory MD, Werner DH. A broadband monopole antenna enabled by an ultrathin anisotropic metamaterial coating. IEEE Antennas Wirel Propag Lett 2011;10:1543‒6. . 10.1109/lawp.2011.2180503

[153]

Alibakhshikenari M, Babaeian F, Virdee BS, Aïssa S, Azpilicueta L, See CH, et al. A comprehensive survey on “various decoupling mechanisms with focus on metamaterial and metasurface principles applicable to SAR and MIMO antenna systems”. IEEE Access 2020;8:192965‒3004. . 10.1109/ACCESS.2020.3032826.

[154]

Yang F, Rahmat-Samii Y. Reflection phase characterizations of the EBG ground plane for low profile wire antenna applications. IEEE Trans Antenn Propag 2003;51(10):2691‒703. . 10.1109/tap.2003.817559

[155]

Feresidis AP, Goussetis G, Wang SH, Vardaxoglou JC. Artificial magnetic conductor surfaces and their application to low-profile high-gain planar antennas. IEEE Trans Antenn Propag 2005;53(1):209‒15. . 10.1109/tap.2004.840528

[156]

Zhai H, Xi L, Zang Y, Li L. A low-profile dual-polarized high-isolation MIMO antenna arrays for wideband base-station applications. IEEE Trans Antennas Propag 2018;66(1):191‒202. . 10.1109/tap.2017.2776346

[157]

Wu ZH, Zhang WX. Broadband printed compound air-fed array antennas. IEEE Antennas Wirel Propag Lett 2010;9:187‒90. . 10.1109/lawp.2010.2045470

[158]

Dong Y, Toyao H, Itoh T. Compact circularly-polarized patch antenna loaded with metamaterial structures. IEEE Trans Antennas Propag 2011;59(11):4329‒33. . 10.1109/TAP.2011.2164223

[159]

Lee H, Woo DJ, Nam S. Compact and bandwidth-enhanced asymmetric coplanar waveguide (ACPW) antenna using CRLH-TL and modified ground plane. IEEE Antennas Wirel Propag Lett 2016;15:810‒3. . 10.1109/lawp.2015.2476340

[160]

Lai A, Itoh T, Caloz C. Composite right/left-handed transmission line metamaterials. IEEE Microw Mag 2004;5(3):34‒50. . 10.1109/mmw.2004.1337766

[161]

Islam MT, Islam MM, Samsuzzaman M, Faruque MRI, Misran N. A negative index metamaterial-inspired UWB antenna with an integration of complementary SRR and CLS unit cells for microwave imaging sensor applications. Sensors 2015;15(5):11601‒27. . 10.3390/s150511601

[162]

Gupta A, Chaudhary RK. A compact dual band short ended metamaterial antenna with extended bandwidth. Int J RF Microw Comput-Aided Eng 2016;26(5):435‒41. . 10.1002/mmce.20980

[163]

Al-Bawri SS, Hwang Goh H, Islam MS, Wong HY, Jamlos MF, Narbudowicz A, et al. Compact ultra-wideband monopole antenna loaded with metamaterial. Sensors 2020;20(3):796. . 10.3390/s20030796

[164]

Ouedraogo RO, Rothwell EJ, Diaz AR, Fuchi K, Temme A. Miniaturization of patch antennas using a metamaterial-inspired technique. IEEE Trans Antennas Propag 2012;60(5):2175‒82. . 10.1109/TAP.2012.2189699

[165]

Li H, Wang GM, Hu G, Cai T, Qiu CW, Xu HX. 3D-printed curved metasurface with multifunctional wavefronts. Adv Opt Mater 2020;8(15):2000129. . 10.1002/adom.202000129

[166]

Chen X, Ma HF, Zou XY, Jiang WX, Cui TJ. Three-dimensional broadband and high-directivity lens antenna made of metamaterials. J Appl Phys 2011;110(4):044904. . 10.1063/1.3622596

[167]

Zhang S. Design and fabrication of 3D-printed planar Fresnel zone plate lens. Electron Lett 2016;52(10):833‒5. . 10.1049/el.2016.0736

[168]

Liang M, Ng WR, Chang K, Gbele K, Gehm ME, Xin H. A 3-D luneburg lens antenna fabricated by polymer jetting rapid prototyping. IEEE Trans Antennas Propag 2014;62(4):1799‒807. . 10.1109/tap.2013.2297165

[169]

Schurig D, Mock JJ, Justice BJ, Cummer SA, Pendry JB, Starr AF, et al. Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies. Science 2006;314(5801):977‒80. . 10.1126/science.1133628

[170]

Liu R, Ji C, Mock JJ, Chin JY, Cui TJ, Smith DR. Broadband ground-plane cloak. Science 2009;323(5912):366‒9. . 10.1126/science.1166949

[171]

Cheng Q, Cui TJ, Jiang WX, Cai BG. An omnidirectional electromagnetic absorber made of metamaterials. New J Phys 2010;12(6):063006. . 10.1088/1367-2630/12/6/063006

[172]

Ergin T, Stenger N, Brenner P, Pendry JB, Wegener M. Three-dimensional invisibility cloak at optical wavelengths. Science 2010;328(5976):337‒9. . 10.1126/science.1186351

[173]

Ma HF, Cui TJ. Three-dimensional broadband ground-plane cloak made of metamaterials. Nat Commun 2010;1(3):21. . 10.1038/ncomms1023

[174]

Jiang Z, Liang Q, Li Z, Chen T, Li D, Hao Y. A 3D carpet cloak with non-euclidean metasurfaces. Adv Opt Mater 2020;8(19):2000827. . 10.1002/adom.202000827

[175]

Tian X, Yin M, Li D. Design and fabrication of gradient index artificial electromagnetic medium based on 3D printing. J Mech Eng 2015;51(7):124‒9. . 10.3901/jme.2015.07.124

[176]

Padilla WJ, Averitt RD. Imaging with metamaterials. Nat Rev Phys 2021;4(2):85‒100. . 10.1038/s42254-021-00394-3

[177]

Hunt J, Gollub J, Driscoll T, Lipworth G, Mrozack A, Reynolds MS, et al. Metamaterial microwave holographic imaging system. J Opt Soc Am A 2014;31(10):2109‒19. . 10.1364/josaa.31.002109

[178]

Li YB, Li LL, Xu BB, Wu W, Wu RY, Wan X, et al. Transmission-type 2-bit programmable metasurface for single-sensor and single-frequency microwave imaging. Sci Rep 2016;6:23731. . 10.1038/srep23731

[179]

Li L, Cui TJ, Ji W, Liu S, Ding J, Wan X, et al. Electromagnetic reprogrammable coding-metasurface holograms. Nat Commun 2017;8(1):197. . 10.1038/s41467-017-00164-9

[180]

Li L, Ruan H, Liu C, Li Y, Shuang Y, Alù A, et al. Machine-learning reprogrammable metasurface imager. Nat Commun 2019;10(1):1082. . 10.1038/s41467-019-09103-2

[181]

Youngworth KS, Brown TG. Focusing of high numerical aperture cylindrical-vector beams. Opt Express 2000;7(2):77‒87. . 10.1364/oe.7.000077

[182]

Pors A, Nielsen MG, Eriksen RL, Bozhevolnyi SI. Broadband focusing flat mirrors based on plasmonic gradient metasurfaces. Nano Lett 2013;13(2):829‒34. . 10.1021/nl304761m

[183]

Chen X, Huang L, Mühlenbernd H, Li G, Bai B, Tan Q, et al. Dual-polarity plasmonic metalens for visible light. Nat Commun 2012;3:1198. . 10.1038/ncomms2207

[184]

Zheng G, Mühlenbernd H, Kenney M, Li G, Zentgraf T, Zhang S. Metasurface holograms reaching 80% efficiency. Nat Nanotechnol 2015;10(4):308‒12. . 10.1038/nnano.2015.2

[185]

Li Z, Palacios E, Butun S, Aydin K. Visible-frequency metasurfaces for broadband anomalous reflection and high-efficiency spectrum splitting. Nano Lett 2015;15(3):1615‒21. . 10.1021/nl5041572

[186]

Mueller JPB, Rubin NA, Devlin RC, Groever B, Capasso F. Metasurface polarization optics: independent phase control of arbitrary orthogonal states of polarization. Phys Rev Lett 2017;118(11):113901. . 10.1103/physrevlett.118.113901

[187]

Fan Q, Liu M, Yang C, Yu L, Yan F, Xu T. A high numerical aperture, polarization-insensitive metalens for long-wavelength infrared imaging. Appl Phys Lett 2018;113(20):201104. . 10.1063/1.5050562

[188]

Khorasaninejad M, Chen WT, Devlin RC, Oh J, Zhu AY, Capasso F. Metalenses at visible wavelengths: diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging. Science 2016;352(6290):1190‒4. . 10.1126/science.aaf6644

[189]

Arbabi A, Horie Y, Ball AJ, Bagheri M, Faraon A. Subwavelength-thick lenses with high numerical apertures and large efficiency based on high-contrast transmitarrays. Nat Commun 2015;6(1):7069. . 10.1038/ncomms8069

[190]

Arbabi E, Arbabi A, Kamali SM, Horie Y, Faraji-Dana M, Faraon A. MEMS-tunable dielectric metasurface lens. Nat Commun 2018;9(1):812. . 10.1038/s41467-018-03155-6

[191]

Liu M, Fan Q, Yu L, Xu T. Polarization-independent infrared micro-lens array based on all-silicon metasurfaces. Opt Express 2019;27(8):10738‒44. . 10.1364/oe.27.010738

[192]

Squires AD, Constable E, Lewis RA. 3D printed terahertz diffraction gratings and lenses. Int J Infrared Millim Terahertz Waves 2014;36(1): 72‒80. . 10.1007/s10762-014-0122-8

[193]

Yurduseven O, Flowers P, Ye S, Marks DL, Gollub JN, Fromenteze T, et al. Computational microwave imaging using 3D printed conductive polymer frequency-diverse metasurface antennas. IET Microw Antennas Propag 2017;11(14):1962‒9. . 10.1049/iet-map.2017.0104

[194]

Song M, Belov PA, Kapitanova P. Wireless power transfer inspired by the modern trends in electromagnetics. Appl Phys Rev 2017;4(2):021102. . 10.1063/1.4981396

[195]

Strassner B, Chang K. Microwave power transmission: historical milestones and system components. Proc IEEE 2013;101(6):1379‒96. . 10.1109/jproc.2013.2246132

[196]

Shinohara N. Power without wires. IEEE Microw Mag 2011;12(7):S64‒73. . 10.1109/mmm.2011.942732

[197]

Wang B, Teo KH, Nishino T, Yerazunis W, Barnwell J, Zhang J. Experiments on wireless power transfer with metamaterials. Appl Phys Lett 2011;98(25):254101. . 10.1063/1.3601927

[198]

Fan Y, Li L, Yu S, Zhu C, Liang C. Experimental study of efficient wireless power transfer system integrating with highly sub-wavelength metamaterials. Prog Electromagn Res 2013;141:769‒84. . 10.2528/pier13061711

[199]

Ranaweera ALAK, Duong TP, Lee JW. Experimental investigation of compact metamaterial for high efficiency mid-range wireless power transfer applications. J Appl Phys 2014;116(4):043914. . 10.1063/1.4891715

[200]

AlShareef MR, Ramahi OM. Electrically small particles combining even- and odd-mode currents for microwave energy harvesting. Appl Phys Lett 2014;104(25):253906. . 10.1063/1.4885776

[201]

Zhang P, Li L, Zhang X, Liu H, Shi Y. Design, measurement and analysis of near-field focusing reflective metasurface for dual-polarization and multi-focus wireless power transfer. IEEE Access 2019;7:110387‒99. . 10.1109/ACCESS.2019.2934135

[202]

Smith DR, Gowda VR, Yurduseven O, Larouche S, Lipworth G, Urzhumov Y, et al. An analysis of beamed wireless power transfer in the Fresnel zone using a dynamic, metasurface aperture. J Appl Phys 2017;121(1):014901. . 10.1063/1.4973345

[203]

Viskadourakis Z, Tamiolakis E, Tsilipakos O, Tasolamprou AC, Economou EN, Kenanakis G. 3D-printed metasurface units for potential energy harvesting applications at the 2.4 GHz frequency band. Crystals 2021;11(9):1089. . 10.3390/cryst11091089

[204]

Zhang L, Liu H, Song B, Gu J, Li L, Shi W, et al. Wood-inspired metamaterial catalyst for robust and high-throughput water purification. Nat Commun 2024;15(1):2046. . 10.1038/s41467-024-46337-1

[205]

Deng Y, Luo B, Dong M, Huang Z, Chen X, Han W. Low-complexity fingerprint construction for RIS codebook design in millimeter wave systems. In: Proceedings of the GLOBECOM 2023—2023 IEEE Global Communications Conference; 2023 Dec 4‒8; Kuala Lumpur, Malaysia. Piscataway: IEEE; 2024. p. 1567‒72. . 10.1109/globecom54140.2023.10437670

[206]

Huang L, Chowdhury DR, Ramani S, Reiten MT, Luo SN, Taylor AJ, et al. Experimental demonstration of terahertz metamaterial absorbers with a broad and flat high absorption band. Opt Lett 2012;37(2):154‒6. . 10.1364/ol.37.000154

[207]

Zhang C, Cheng Q, Yang J, Zhao J, Cui TJ. Broadband metamaterial for optical transparency and microwave absorption. Appl Phys Lett 2017;110(14):143511. . 10.1063/1.4979543

[208]

Zhang Y, Li Y, Cao Y, Liu Y, Zhang H. Graphene induced tunable and polarization-insensitive broadband metamaterial absorber. Opt Commun 2017;382:281‒7. . 10.1016/j.optcom.2016.08.003

[209]

Su Z, Yin J, Zhao X. Terahertz dual-band metamaterial absorber based on graphene/MgF₂ multilayer structures. Opt Express 2015;23(2):1679‒90. . 10.1364/oe.23.001679

[210]

Thi Quynh Hoa N, Huu Lam P, Duy TP. Wide-angle and polarization-independent broadband microwave metamaterial absorber. Microw Opt Technol Lett 2017;59(5):1157‒61. . 10.1002/mop.30490

[211]

Cheng YZ, Wang Y, Nie Y, Gong RZ, Xiong X, Wang X. Design, fabrication and measurement of a broadband polarization-insensitive metamaterial absorber based on lumped elements. J Appl Phys 2012;111(4):044902. . 10.1063/1.3684553

[212]

Yuan W, Cheng Y. Low-frequency and broadband metamaterial absorber based on lumped elements: design, characterization and experiment. Appl Phys 2014;117(4):1915‒21. . 10.1007/s00339-014-8637-3

[213]

Kim YJ, Hwang JS, Yoo YJ, Khuyen BX, Rhee JY, Chen XF, et al. Ultrathin microwave metamaterial absorber utilizing embedded resistors. J Phys D 2017;50(40):405110. . 10.1088/1361-6463/aa82f4

[214]

Kundu D, Mohan A, Chakrabarty A. Single-layer wideband microwave absorber using array of crossed dipoles. IEEE Antennas Wirel Propag Lett 2016;15:1589‒92. . 10.1109/lawp.2016.2517663

[215]

Sun L, Cheng H, Zhou Y, Wang J. Broadband metamaterial absorber based on coupling resistive frequency selective surface. Opt Express 2012;20(4):4675‒80. . 10.1364/oe.20.004675

[216]

Chin JY, Gollub JN, Mock JJ, Liu R, Harrison C, Smith DR, et al. An efficient broadband metamaterial wave retarder. Opt Express 2009;17(9):7640‒7. . 10.1364/oe.17.007640

[217]

Ghosh S, Bhattacharyya S, Kaiprath Y, Srivastava KV. Bandwidth-enhanced polarization-insensitive microwave metamaterial absorber and its equivalent circuit model. J Appl Phys 2014;115(10):104503. . 10.1063/1.4868577

[218]

Wu X, Zheng Y, Luo Y, Zhang J, Yi Z, Wu X, et al. A four-band and polarization-independent BDS-based tunable absorber with high refractive index sensitivity. Phys Chem Chem Phys 2021;23(47):26864‒73. . 10.1039/d1cp04568g

[219]

Khatib O, Ren S, Malof J, Padilla WJ. Deep learning the electromagnetic properties of metamaterials—a comprehensive review. Adv Funct Mater 2021;31(31):2101748. . 10.1002/adfm.202101748

[220]

Yang H, Leow WR, Wang T, Wang J, Yu J, He K, et al. 3D printed photoresponsive devices based on shape memory composites. Adv Mater 2017;29(33):1701627. . 10.1002/adma.201701627

[221]

Kuang X, Roach DJ, Wu J, Hamel CM, Ding Z, Wang T, et al. Advances in 4D printing: materials and applications. Adv Funct Mater 2019;29(2):1805290. . 10.1002/adfm.201805290