清華新聞網(wǎng)12月30日電 在巖石、土壤和海水等高損耗介質(zhì)中，高頻無(wú)線(xiàn)電和GPS信號(hào)往往迅速失效，嚴(yán)重制約了無(wú)人探測(cè)、應(yīng)急救援和環(huán)境監(jiān)測(cè)等任務(wù)的開(kāi)展。相比之下，低頻信號(hào)具有更強(qiáng)的介質(zhì)穿透能力，是實(shí)現(xiàn)跨介質(zhì)通信的重要技術(shù)路徑；但傳統(tǒng)低頻電磁天線(xiàn)通常體積巨大、效率低下，難以應(yīng)用于移動(dòng)平臺(tái)和小型無(wú)人系統(tǒng)，亟需新的實(shí)現(xiàn)方式。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，清華大學(xué)機(jī)械系臧浠凝課題組提出了一種基于永磁體的柔性微型低頻機(jī)械天線(xiàn)，通過(guò)機(jī)械振動(dòng)直接輻射低頻磁場(chǎng)信號(hào)的方法，突破了傳統(tǒng)天線(xiàn)尺寸需與波長(zhǎng)匹配的限制。該天線(xiàn)采用3D打印工藝將柔性永磁薄膜與宏纖維復(fù)合壓電致動(dòng)器集成為一體，具有體積小、重量輕和高度柔性的特點(diǎn)，可彎折超過(guò)180°并貼附于曲面結(jié)構(gòu)，適合集成于無(wú)人機(jī)等空間受限平臺(tái)。在性能驗(yàn)證中，該機(jī)械天線(xiàn)在磁場(chǎng)強(qiáng)度衰減至1pT前的通信距離可達(dá)約60m，并在地下-地面、穿過(guò)巖土及水下等復(fù)雜環(huán)境中相較高頻信號(hào)表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)在真實(shí)洞穴環(huán)境中完成了無(wú)人系統(tǒng)協(xié)同通信演示：搭載該低頻機(jī)械天線(xiàn)的無(wú)人機(jī)將洞內(nèi)探測(cè)到的目標(biāo)坐標(biāo)信息傳輸給洞外四足機(jī)器人，后者成功解碼并在約1min內(nèi)進(jìn)入洞穴與無(wú)人機(jī)會(huì)合，展示了在無(wú)線(xiàn)電、GPS及視覺(jué)通信均受限條件下實(shí)現(xiàn)無(wú)人系統(tǒng)可靠協(xié)同的能力。
圖1.基于永磁體的柔性微型低頻機(jī)械天線(xiàn)在三維空-陸-海通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用
圖2.無(wú)人機(jī)和四足機(jī)器人通過(guò)低頻通信在洞穴中協(xié)同作業(yè)
研究成果以“面向無(wú)人系統(tǒng)跨介質(zhì)通信的柔性磁基微型低頻機(jī)械天線(xiàn)”（A Flexible, Magnet-Based Miniaturized Low-Frequency Mechanical Antenna Enabling Cross-medium Communication between Unmanned Systems）為題，于12月13日發(fā)表于《通信工程》（Communications Engineering）。
清華大學(xué)機(jī)械工程系2023級(jí)博士生李慶昂為論文第一作者，機(jī)械工程系副教授臧浠凝為論文通訊作者。論文共同通訊作者包括北京航空航天大學(xué)教授崔勇和胡慶雷，合作單位包括北京大學(xué)、北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院等。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s44172-025-00569-1
供稿：機(jī)械系
圖片設(shè)計(jì)：李秦圩
編輯：李華山
審核：郭玲
