中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
常見(jiàn)的移動(dòng)通信，比如對(duì)講機(jī)、手機(jī)天線，通常在數(shù)百M(fèi)Hz甚至GHz頻率下工作，可以滿足常規(guī)的地面通信。但是在海下、水下，以及地下通信，或其他高損耗跨介質(zhì)環(huán)境中，這種高頻電磁波通信的使用受到了很大的限制，因?yàn)樗隆⒌叵麓嬖诤軓?qiáng)的高頻電磁波衰減效應(yīng)。相比之下，極低頻（ELF）電磁波具有出色的穿透能力，在復(fù)雜介質(zhì)如海水、地下介質(zhì)中衰減最?。?lt;0.19 dB/m）。因此，在惡劣的跨介質(zhì)信道環(huán)境中，ELF長(zhǎng)（電磁）波是最有效的通信方式之一。盡管如此，依靠傳統(tǒng)的電磁天線發(fā)射ELF長(zhǎng)波， 需要極大的、長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米天線，且功耗非常高。為解決這一問(wèn)題，一些學(xué)者嘗試采用應(yīng)變介導(dǎo)的磁電（ME）耦合和線性聲波共振取代傳統(tǒng)的電磁波共振方法，通過(guò)磁電耦合實(shí)現(xiàn)ELF電磁波發(fā)射，同時(shí)減少天線的尺寸。但是基于線性聲波諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)磁矩變化的策略，電磁波輻射強(qiáng)度和有效的通信距離仍然非常有限。另一種有效的方法是使用電磁馬達(dá)驅(qū)動(dòng)永磁體旋轉(zhuǎn)，輻射強(qiáng)度更高的磁場(chǎng)信號(hào)。然而，電磁馬達(dá)旋磁的效率隨著直徑的減小而急劇下降，特別是在毫米到厘米范圍內(nèi)，因?yàn)榇磐芏鹊募眲∠陆?，已很難適用于可穿戴式天線ELF磁信號(hào)的有效輻射。特別針對(duì)極端環(huán)境下ELF電磁波在可穿戴跨介質(zhì)通信設(shè)備中應(yīng)用仍面臨著幾個(gè)重大挑戰(zhàn)：天線尺寸、輻射能力和效率（或能耗）。因此，發(fā)展極端環(huán)境下緊急通信的可穿戴設(shè)備，還依賴于尋找先進(jìn)天線的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，同時(shí)需要平衡小型化與輻射效率。
為了解決上述困惑，近年來(lái)，北京大學(xué)/深圳大學(xué)董蜀湘教授團(tuán)隊(duì)的研究人員，嘗試設(shè)計(jì)了壓電擺動(dòng)諧振子、壓電聲波旋磁諧振子，通過(guò)大幅度擺動(dòng)磁偶極子或者高速撥動(dòng)磁偶極子旋轉(zhuǎn)，促進(jìn)ELF電磁波的更高效輻射。但是這兩種方法均需要相對(duì)大的尺寸（> 10 cm線度）。
近日，北京大學(xué)董蜀湘教授團(tuán)隊(duì)、哈爾濱工程大學(xué)儲(chǔ)昭強(qiáng)副教授課題組，聯(lián)合報(bào)告了一種高頻超聲波驅(qū)動(dòng)的磁偶極子旋轉(zhuǎn)諧振器（UA-MDRR），為在海下與空中進(jìn)行緊急救生通信提供了厘米尺度的移動(dòng)式可穿戴通信設(shè)備，如下圖1所示。該諧振器采用僅僅幾個(gè)毫米尺度的多層壓電陶瓷，使其工作于雙彎曲振動(dòng)耦合模式（作為超聲諧振驅(qū)動(dòng)器），通過(guò)摩擦耦合驅(qū)動(dòng)厘米尺度的磁偶極子旋轉(zhuǎn)振蕩，高效發(fā)射全方向的ELF高強(qiáng)度電磁波。多層壓電陶瓷的采用，不僅降低了驅(qū)動(dòng)電壓，還確保了設(shè)備小型化。該器件的單位體積產(chǎn)生的ELF磁場(chǎng)發(fā)射能力高達(dá)24,000 nT/cm3@1 m，比最先進(jìn)的諧振器/天線高出一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。它在空氣中和水下100 m處發(fā)射的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別可達(dá)2.64 pT和2.12 pT，而消耗的功率僅為0.61 W。提出的UA-MDRR天線成功演示了空氣-海水界面的跨介質(zhì)通信潛力。當(dāng)佩戴于手腕時(shí)，該裝置能有效發(fā)射“SOS”等國(guó)際摩爾斯電碼救援信號(hào)。
進(jìn)一步，通過(guò)水面上方（或地面）配置磁通門(mén)傳感器或光泵傳感器等高靈敏度磁傳感器，還有望實(shí)現(xiàn)水下-水面上方千米級(jí)跨介質(zhì)通信。緊湊的UA-MDRR設(shè)計(jì)，不僅使其適用于海水-空中通信，還可以實(shí)現(xiàn)地下-地上，以及其它復(fù)雜跨介質(zhì)環(huán)境中所需要的緊急移動(dòng)ELF通信穿戴設(shè)備、跨介質(zhì)緊急通信和報(bào)警系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖1可穿戴高頻超聲波驅(qū)動(dòng)的磁偶極子旋轉(zhuǎn)諧振器（UA-MDRR）。（a）電-機(jī)-磁耦合磁場(chǎng)發(fā)射機(jī)理與諧振器天線在跨介質(zhì)通信應(yīng)用場(chǎng)景，（b-e）壓電多層致動(dòng)器與制備過(guò)程、超聲致動(dòng)產(chǎn)生旋磁效應(yīng)和ELF磁場(chǎng)輻射的工作機(jī)理。
總而言之，我們開(kāi)發(fā)了一種可穿戴式移動(dòng)極低頻超聲驅(qū)動(dòng)磁偶極旋轉(zhuǎn)諧振器（UA-MDRR）。該裝置通過(guò)電-機(jī)-磁耦合的旋轉(zhuǎn)磁偶極矩效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)極低頻（ELF）電磁波或磁場(chǎng)信息發(fā)射。UA-MDRR采用基于多層壓電陶瓷（體積僅0.11 cm3）的超聲諧振器，通過(guò)旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式與摩擦耦合驅(qū)動(dòng)釹鐵硼永磁盤(pán)（磁偶極矩集合體）旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)極低頻、可程控磁場(chǎng)輻射與跨介質(zhì)通信。這項(xiàng)創(chuàng)新標(biāo)志著極低頻跨介質(zhì)通信技術(shù)的開(kāi)創(chuàng)性突破，為開(kāi)發(fā)新一代移動(dòng)可穿戴式水下/地下救援與信號(hào)設(shè)備開(kāi)辟了新的發(fā)展方向。
該成果以“A Wearable, Ultrasonically-Actuated Magnetic-Dipole Rotating Resonator for Mobile Communication in Cross-medium Environment”為題，最近發(fā)表在《Nature Communications》期刊（2025），DOI：10.1038/s41467-025-59539-y。
該成果第一作者是武漢理工大學(xué)材料學(xué)院2021博士生成植，深圳大學(xué)機(jī)電學(xué)院2022級(jí)碩士生王向祎為共同第一作者。北京大學(xué)董蜀湘教授、哈爾濱工程大學(xué)儲(chǔ)昭強(qiáng)副教授為該論文通訊作者，武漢理工大學(xué)周靜教授為合作者。該研究工作獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。
