中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
常見的移動通信，比如對講機、手機天線，通常在數(shù)百MHz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，因為水下、地下存在很強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（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長波， 需要極大的、長達數(shù)千米天線，且功耗非常高。為解決這一問題，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，通過磁電耦合實現(xiàn)ELF電磁波發(fā)射，同時減少天線的尺寸。但是基于線性聲波諧振來實現(xiàn)磁矩變化的策略，電磁波輻射強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驅(qū)動永磁體旋轉(zhuǎn)，輻射強度更高的磁場信號。然而，電磁馬達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)，因為磁通密度的急劇下降，已很難適用于可穿戴式天線ELF磁信號的有效輻射。特別針對極端環(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，還依賴于尋找先進天線的創(chuàng)新設(shè)計，同時需要平衡小型化與輻射效率。
為了解決上述困惑，近年來，北京大學(xué)/深圳大學(xué)董蜀湘教授團隊的研究人員，嘗試設(shè)計了壓電擺動諧振子、壓電聲波旋磁諧振子，通過大幅度擺動磁偶極子或者高速撥動磁偶極子旋轉(zhuǎn)，促進ELF電磁波的更高效輻射。但是這兩種方法均需要相對大的尺寸（> 10 cm線度）。
近日，北京大學(xué)董蜀湘教授團隊、哈爾濱工程大學(xué)儲昭強副教授課題組，聯(lián)合報告了一種高頻超聲波驅(qū)動的磁偶極子旋轉(zhuǎn)諧振器（UA-MDRR），為在海下與空中進行緊急救生通信提供了厘米尺度的移動式可穿戴通信設(shè)備，如下圖1所示。該諧振器采用僅僅幾個毫米尺度的多層壓電陶瓷，使其工作于雙彎曲振動耦合模式（作為超聲諧振驅(qū)動器），通過摩擦耦合驅(qū)動厘米尺度的磁偶極子旋轉(zhuǎn)振蕩，高效發(fā)射全方向的ELF高強度電磁波。多層壓電陶瓷的采用，不僅降低了驅(qū)動電壓，還確保了設(shè)備小型化。該器件的單位體積產(chǎn)生的ELF磁場發(fā)射能力高達24,000 nT/cm3@1 m，比最先進的諧振器/天線高出一到兩個數(shù)量級。它在空氣中和水下100 m處發(fā)射的磁場強度分別可達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，該裝置能有效發(fā)射“SOS”等國際摩爾斯電碼救援信號。
進一步，通過水面上方（或地面）配置磁通門傳感器或光泵傳感器等高靈敏度磁傳感器，還有望實現(xiàn)水下-水面上方千米級跨介質(zhì)通信。緊湊的UA-MDRR設(shè)計，不僅使其適用于海水-空中通信，還可以實現(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ELF通信穿戴設(shè)備、跨介質(zhì)緊急通信和報警系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖1可穿戴高頻超聲波驅(qū)動的磁偶極子旋轉(zhuǎn)諧振器（UA-MDRR）。（a）電-機-磁耦合磁場發(fā)射機理與諧振器天線在跨介質(zhì)通信應(yīng)用場景，（b-e）壓電多層致動器與制備過程、超聲致動產(chǎn)生旋磁效應(yīng)和ELF磁場輻射的工作機理。
總而言之，我們開發(fā)了一種可穿戴式移動極低頻超聲驅(qū)動磁偶極旋轉(zhuǎn)諧振器（UA-MDRR）。該裝置通過電-機-磁耦合的旋轉(zhuǎn)磁偶極矩效應(yīng)，實現(xiàn)極低頻（ELF）電磁波或磁場信息發(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，通過旋轉(zhuǎn)擺動運動模式與摩擦耦合驅(qū)動釹鐵硼永磁盤（磁偶極矩集合體）旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)極低頻、可程控磁場輻射與跨介質(zhì)通信。這項創(chuàng)新標志著極低頻跨介質(zhì)通信技術(shù)的開創(chuàng)性突破，為開發(fā)新一代移動可穿戴式水下/地下救援與信號設(shè)備開辟了新的發(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)機電學(xué)院2022級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)儲昭強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家重點研發(fā)計劃項目等項目的資助。
