通过利用尖端的增材制造技术和形状记忆合金，位于马里兰州劳雷尔的约翰霍普金斯应用物理实验室（APL）的研究人员创造了一种可以根据温度改变形状的天线。这项技术——在ACS应用工程材料杂志最近的一篇在线出版物中进行了描述，并将在即将出版的印刷版的封面上刊登——在广泛的军事、科学和商业应用中具有变革潜力。
天线前端的形状决定了它的许多工作参数。一旦制造出来，这些特征就被锁定了。一种可变形的天线将使通信能够跨越更宽的射频（RF）频带阵列，开辟新的操作敏捷性领域。其中，单个变形天线可以完成多个固定形状天线的工作，动态适应频谱可用性，改变波束宽度，在短距离和远程通信之间切换。
受科幻小说技术的启发，这种新颖的天线是APL跨学科创造性合作的结果。
电气工程师詹妮弗·霍伦贝克说，她是从《苍穹浩瀚》系列中得到这个想法的，在《苍穹浩瀚》系列中，外星科技是有机的，可以变形的。她说：“我的整个职业生涯都在研究天线，并努力克服它们固定形状所带来的限制。”“我知道APL有能力创造出不同的东西。”
2019年，Hollenbeck找到了Steven Storck，他现在是实验室研究和探索开发部增材制造的首席科学家，当时他领导了一个独立的研究和开发项目，创造了一种有前途的增材制造形状记忆合金的方法。这些独特的材料在较低的温度下会变形，但在加热时又会恢复到“记忆”的形状，并被广泛应用于各种各样的应用，从正畸金属丝、血管支架和骨植入物等医疗用途到航天器控制表面的执行器。
机械工程师和材料科学家安迪·列侬曾使用镍钛诺——一种由镍和钛制成的形状记忆合金——制造出可以向下延伸穿过人的食道的线圈，以辅助心脏成像。当列侬和其他人致力于镍钛诺的应用时，他们产生了用它3d打印复杂形状的愿望。但这也带来了一个问题：镍钛诺和其他形状记忆合金通常需要大量的机械加工——即冷加工——来实现形状记忆效果，因此它们通常只能制成金属丝或薄板。
列侬说：“做大量的冷工作会破坏一切的意义。”“如果你把这个复杂的形状通过模具拉伸，你就会回到电线上。”
APL团队最初进行的研究是为了解决与镍钛诺组件的可扩展增材制造相关的基本挑战，后来将这些技术应用于创建可用于空间应用的可变形结构。在对天线应用进行了广泛的实验之后，该团队改变了镍和钛的比例，但第一次尝试使用3d打印镍钛诺来制造可变形的喇叭天线却失败了。虽然天线在技术上确实可以扩展和收缩并改变其频率，但它也是刚性的，难以扩展。
霍伦贝克说：“事实证明，这是一个非常复杂的设计，它并没有像我希望的那样有效。”
Hollenbeck和团队没有气馁，提交了一份推进拨款提案，这是APL内部资助机会之一，旨在支持针对关键挑战的革命性解决方案的开发。
这一次，Hollenbeck有了一个新的天线设计。列侬的团队已经能够用所谓的双向形状记忆技术3d打印镍钛诺，这种合金可以加热和冷却，在两种记忆形状之间交替。在APL部队投影部门的电气工程师Kyle Sibert的关键设计和原型支持下，Hollenbeck的团队开发了一种天线，该天线在冷却时形状像扁平螺旋盘，但在加热时变成锥形螺旋。
加热螺旋被证明是一个挑战。该团队必须确定如何将天线的金属加热到足以改变其形状，但又不会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·舍本（Michael sherburn）领导的团队必须发明一种新型的电源线。
谢伯恩说：“对于高峰供暖，电线必须处理大量电流。”“我们必须从根本上解决这个问题。”
最后一个难题是如何以一种一致的、可重复的方式3d打印天线。列侬改良的镍钛诺含有更高浓度的镍，这使得大规模印刷具有挑战性。
增材制造工程师Samuel Gonzalez解释说：“我们在优化合金的加工参数和设计方面有很多经验，但这是一个超越的一步。”“没有多少人，如果有的话，打印这种材料，所以没有如何处理它的配方。”
同事Mary Daffron补充说：“我们在打印机上制造了几次弹片，因为天线在打印时由于热量而试图改变形状。”“它想要裂开。”
通常情况下，该团队可以在不到四天的时间内加工一种合金，但Daffron和Gonzalez说，这种特殊的材料花了两到四周的时间。
现在他们已经优化了加工参数，他们已经在寻找方法来建立他们最初的成功。
Daffron说：“我们希望优化参数，使其在多种不同的机器上工作，使其更广泛地适用，我们知道我们需要优化可能在不同温度下驱动的材料的不同变化。”
APL团队的辛勤工作已经产生了一种彻底创新的技术，可以广泛应用，支持现场的特殊操作员，移动网络电信，甚至是遥远天体的太空任务。
APL正在代表该团队申请形状自适应天线技术的完整专利。该实验室还暂时决定为加热螺旋的新型电力线、控制天线的方法以及使用形状记忆合金制造相控阵天线的方法和工艺申请专利。
APL总工程师Conrad Grant表示：“该APL团队展示的可变形天线能力将改变许多应用和任务的游戏规则，这些应用和任务需要小尺寸和重量配置的射频适应性。”“这是实验室通过积极、能力强、多学科团队进行创新的又一个有力例子。”
