中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
常見(jiàn)的移動(dòng)通信，比如對講機、手機天線(xiàn)，通常在數百MHz甚至GHz頻率下工作，可以滿(mǎn)足常規的地面通信。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。相比之下，極低頻（ELF）電磁波具有出色的穿透能力，在復雜介質(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(cháng)（電磁）波是最有效的通信方式之一。盡管如此，依靠傳統的電磁天線(xiàn)發(fā)射ELF長(cháng)波， 需要極大的、長(cháng)達數千米天線(xiàn)，且功耗非常高。為解決這一問(wèn)題，一些學(xué)者嘗試采用應變介導的磁電（ME）耦合和線(xiàn)性聲波共振取代傳統的電磁波共振方法，通過(guò)磁電耦合實(shí)現ELF電磁波發(fā)射，同時(shí)減少天線(xiàn)的尺寸。但是基于線(xiàn)性聲波諧振來(lái)實(shí)現磁矩變化的策略，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動(dòng)永磁體旋轉，輻射強度更高的磁場(chǎng)信號。然而，電磁馬達旋磁的效率隨著(zhù)直徑的減小而急劇下降，特別是在毫米到厘米范圍內，因為磁通密度的急劇下降，已很難適用于可穿戴式天線(xiàn)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)通信設備中應用仍面臨著(zhù)幾個(gè)重大挑戰：天線(xiàn)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備，還依賴(lài)于尋找先進(jìn)天線(xiàn)的創(chuàng )新設計，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)董蜀湘教授團隊的研究人員，嘗試設計了壓電擺動(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，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大的尺寸（> 10 cm線(xiàn)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動(dòng)的磁偶極子旋轉諧振器（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（作為超聲諧振驅動(dòng)器），通過(guò)摩擦耦合驅動(dòng)厘米尺度的磁偶極子旋轉振蕩，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，不僅降低了驅動(dòng)電壓，還確保了設備小型化。該器件的單位體積產(chǎn)生的ELF磁場(chǎng)發(fā)射能力高達24,000 nT/cm3@1 m，比最先進(jìn)的諧振器/天線(xiàn)高出一到兩個(gè)數量級。它在空氣中和水下100 m處發(fā)射的磁場(chǎng)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(xiàn)成功演示了空氣-海水界面的跨介質(zhì)通信潛力。當佩戴于手腕時(shí)，該裝置能有效發(fā)射“SOS”等國際摩爾斯電碼救援信號。
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)現水下-水面上方千米級跨介質(zhì)通信。緊湊的UA-MDRR設計，不僅使其適用于海水-空中通信，還可以實(shí)現地下-地上，以及其它復雜跨介質(zhì)環(huán)境中所需要的緊急移動(dòng)ELF通信穿戴設備、跨介質(zhì)緊急通信和報警系統，具有廣闊的應用前景。
圖1可穿戴高頻超聲波驅動(dòng)的磁偶極子旋轉諧振器（UA-MDRR）。（a）電-機-磁耦合磁場(chǎng)發(fā)射機理與諧振器天線(xiàn)在跨介質(zhì)通信應用場(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)生旋磁效應和ELF磁場(chǎng)輻射的工作機理。
總而言之，我們開(kāi)發(fā)了一種可穿戴式移動(dòng)極低頻超聲驅動(dòng)磁偶極旋轉諧振器（UA-MDRR）。該裝置通過(guò)電-機-磁耦合的旋轉磁偶極矩效應，實(shí)現極低頻（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)旋轉擺動(dòng)運動(dòng)模式與摩擦耦合驅動(dòng)釹鐵硼永磁盤(pán)（磁偶極矩集合體）旋轉，從而實(shí)現極低頻、可程控磁場(chǎng)輻射與跨介質(zhì)通信。這項創(chuàng )新標志著(zhù)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/地下救援與信號設備開(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(diǎn)研發(fā)計劃項目等項目的資助。
