2026年6月26日，来自斯坦福大学和阿尔托大学的研究人员制造并测试了一种 3D 打印面板，可以同时处理不同频率、角度和极化的六个无线信号，从而增强信号强度和信道容量，而无需任何类型的有源组件。这项研究以题为“Metacrystals: inversely-designed3D-printed
intelligent panels for 6G
communications”的论文发表在《自然通讯》杂志上。由芬兰阿尔托大学电子与纳米工程系的Mohammad M. Asgari、Shuai
SA Yuan和Viktar Asadchy与斯坦福大学金兹顿实验室的Peter B. Catrysse、Haiwen
Wang和Shanhui Fan合作完成。
3D打印智能面板
这种名为超晶体的装置是由带有图案的PLA塑料块和空气间隙组成，设计用于安装在墙壁或天花板上。它无需电源、可调元件或控制电子元件。测试表明，在非视距环境下，它能将接收信号强度提升20至24分贝，并且在相同环境下，与未安装装置相比，信道容量最多可提升139%。
这种架构不同于传统的智能反射面，后者通常是扁平的单层结构，针对特定场景、特定频段、特定极化方式和特定入射角进行优化。要在实际环境中使用多个发射器覆盖不同频段，通常需要多个独立的面板，或者使用主动电子元件来切换配置。超晶体以牺牲平面形态为代价，换取了物理厚度。这种厚度扩展了设计过程中可用的结构参数数量，使得单一几何结构能够对多个输入信号进行独立响应。基于伴随方法的拓扑优化算法接收一组目标行为，将信号路由到此处，吸收该信号，并将另一个信号反射到不同角度，从而生成满足所有这些目标行为的内部几何结构。最终生成的是由塑料和空气构成的二元图案，可直接用于标准的FDM打印机。
△多维超晶体的概念图。图片来自斯坦福大学和阿尔托大学。
测试结果显示
本文介绍了三个演示装置。第一个装置在三个频率相近（99、100 和 102.53 GHz）、两种极化方式和两种入射角下，同时实现了六种功能，并可同时在透射和反射模式下工作。在无损耗材料假设下，六种场景的平均仿真效率接近 99.99%，但这一数值仅适用于理想化的仿真结果，而非实际制造的硬件。相比之下，等效的单层超表面设计在相同的六种功能下，平均效率仅为 2.28%。
第二个演示器针对以 0°、20°和 45° 角到达的两种极化信号的六种独立反射变换，在仿真中达到了平均95.62% 的效率，并且在大多数情况下，串扰到非目标信道的概率保持在 5% 以下。
第三个原型是实际制造并测量的。它具备四项功能：对垂直入射信号产生偏振不敏感的异常反射，反射方向为72°的输出角；对入射角为20°的信号实现近乎完全的吸收。模拟结果显示，TE和TM偏振的吸收率分别达到90.47%和96.34%；实测异常反射率分别为70.2%和66.3%，低于模拟的84%和78%。研究人员将这一差距归因于制造公差以及原型的小孔径（仅由八个单元组成）。一个更大的拼接版本，由四个尺寸为20.16
× 25.20厘米的打印单元组装而成，在非视距场景下实现了20-24 dB的信号增强，信道容量分别提升了8.2 Gbps（TE）和14.3
Gbps（TM）。
通信链路测试中使用的面板耗材成本约为 15 美元。实验样品的打印时间为 34 小时，使用更大的喷嘴可以缩短到 25 小时左右，但分辨率会有所降低。
△对超晶体性能的实验验证。图片来自斯坦福大学和阿尔托大学。
不足之处
带宽是最明显的限制因素。所制造的演示样机在异常反射情况下实现了约 2%
的工作带宽，这部分是设计上的选择，因为第三个演示样机是针对单一频率进行优化的。第一个演示样机表明，在优化过程中针对多个紧密间隔的频率进行优化，可以将
TE 极化的带宽提升至 11%，将TM 极化的带宽提升至 2.54%，但如何系统地优化两种极化的带宽仍然是一个尚未解决的问题。
同时实现的功能数量也受到面板厚度和拓扑分辨率的限制。功能越多，结构就越厚；而优化器的计算能力限制也实际限制了结构的复杂度。实际性能始终低于仿真结果。测得的异常反射效率比仿真值低约10个百分点，这归因于3D打印的公差和有限孔径效应。增大面板尺寸可以改善这两种情况，但原型仅测试了8个单元，无论从哪个角度来看，样本量都太小。将这项技术扩展到亚太赫兹频率范围需要超越消费级FDM打印机的制造精度，而且如果发射器或接收器的位置发生显著变化，这种被动式架构也无法进行调整。
固定环境，更智能的面板
可重构智能表面是6G超表面研究的主流方法，但它需要可调元件、偏置电子器件和控制电路，这使得大面积部署成本过高，大多数建筑物都难以承受。研究团队的方案则更为简单：在工厂、办公室和交通枢纽等场所，发射器和接收器通常不会移动。一块能够同时处理多个信号的静态面板，材料成本仅为15美元，打印时间不到25小时，经济效益显而易见。
这种逻辑并非没有先例。2023年，谢菲尔德大学的研究人员开发了用于5G和6G应用的3D打印毫米波天线，证明其射频性能与传统制造的天线相当，而成本和生产时间却大大降低。最近，加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校和劳伦斯伯克利国家实验室的合作团队于2025年6月发表了一项关于超轻型3D打印天线的研究成果。天线工作频率为19 GHz，位于6G相关频谱范围内。他们采用电荷编程沉积法，将天线重量减轻了94%。虽然这两项研究都没有解决斯坦福大学-阿尔托大学合作项目所关注的被动信号路由和多功能性问题，但它们都证实了3D打印是制造高频电磁结构的可靠途径，而超晶体研究正是基于同样的原理，并在此基础上构建了更复杂的结构。
来源：南极熊
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