变形天线可实现更通用的传感和远距离通信

来源：滚动播报

（来源：中国航空报）

　　元天线（闪亮的格子状材料）可以嵌入窗帘，用于动态调节室内照明。图中展示了一个原型，其状态分别为：收起（左上）、展开（下）以及位于闭锁机构旁边（右上）。　　麻省理工学院的研究人员开发了一种可重构天线，它可以通过改变天线的物理形状来动态调整其频率范围，使其在通信和传感方面比静态天线更加灵活。　　用户可以拉伸、弯曲或压缩天线，从而对其辐射特性进行可逆的改变，使设备能够在更宽的频率范围内工作，而无须复杂的活动部件。凭借可调的频率范围，可重构天线以适应不断变化的环境条件，并减少对多个天线的需求。　　“天线”一词可能会让人联想到老式电视机顶部“兔耳朵”之类的金属棒，但麻省理工学院的团队却将研究目光投向了超材料，因其机械特性（例如，刚度和强度）取决于材料成分的几何排列。　　最终，研究人员简化了可重构天线的设计，使其可用于可穿戴设备的能量传输、增强现实的运动跟踪和传感，或跨多种网络协议的无线通信等应用。　　此外，研究人员还开发了一款编辑工具，方便用户生成定制的超材料天线，并使用激光切割机进行制作。　　“通常，当我们想到天线时，我们想到的是静态天线——它们被制造成具有特定的属性。然而，通过使用可以变形为三种不同几何状态的拉胀超材料，我们可以通过改变天线的几何形状来无缝地改变其属性，而无须制作新的结构。此外，由于超材料几何形状的变化，我们可以利用天线射频特性的变化，作为一种新的交互设计感知方法。”该研究的主要作者、麻省理工学院机械工程研究生玛尔瓦·阿拉维说道。　　这项研究将于9月28日~10月1日在韩国釜山举行的ACM用户界面软件与技术研讨会（UIST 2025）上发表。理解天线　　传统天线发射和接收无线电信号，而在本研究中，研究人员研究了这些设备如何充当传感器。团队的目标是开发一种能用作传感天线的机械元件。为此，他们利用了天线的“谐振频率”，即天线效率最高的频率。　　天线的谐振频率会因其形状的变化而发生变化。（想象一下，拉长左“兔耳朵”可以减少电视静电干扰）研究人员可以捕捉这些变化进行传感。例如，可重构天线以这种方式用于检测人体胸部的扩张，从而监测其呼吸。　　为了设计一种多功能可重构天线，研究人员使用了超材料。这些工程材料可以通过编程改变形状，由周期性排列的单元构成，这些单元可以旋转、压缩、拉伸或弯曲。通过改变超材料结构，可以改变天线的谐振频率。　　“为了触发谐振频率的变化，我们要么改变天线的有效长度，要么在其中引入狭缝和孔洞。超材料使我们能够仅通过一种结构获得这些不同的状态。”阿拉维说道。　　这种被称为“元天线”的装置由夹在两层导电层之间的介电材料层组成。　　为了制造元天线，研究人员用激光切割机从橡胶片上切下介电层。然后，他们使用导电喷漆在介电层顶部添加一个贴片，从而形成了一个谐振的“贴片天线”。但他们发现，即使是最柔韧的导电材料也无法承受天线可能经历的变形量。　　“我们经过大量的反复试验，最终确定，如果在结构上涂上柔性丙烯酸涂料，它可以保护铰链，防止它们过早断裂。”阿拉维解释道。创客的利器　　解决了制造问题后，研究人员构建了一个工具，使用户能够设计和生产用于特定应用的超材料天线。用户可以定义天线贴片的尺寸，选择介电层的厚度，并设置超材料单元的长宽比。然后，系统会自动模拟天线的谐振频率范围。　　“超材料的美妙之处在于，由于它是一个相互连接的连接系统，其几何结构使我们能够降低机械系统的复杂性。”阿拉维说道。　　研究人员利用该设计工具将超天线融入到多种智能设备中，包括可以动态调节家用照明的窗帘，以及可以在降噪和透明模式之间无缝切换的耳机。　　例如，对于智能耳机，当超天线膨胀和弯曲时，谐振频率会发生2.6%的偏移，从而切换耳机模式。该团队的实验还表明，元天线结构足够耐用，能够承受超过10000次的压缩。　　由于天线贴片可以图案化到任何表面上，因此可以用于更复杂的结构。例如，该天线可以集成到智能纺织品中，用于执行非侵入式生物医学传感或温度监测。　　未来，研究人员希望设计三维元天线，以实现更广泛的应用。他们还希望为设计工具添加更多功能，提高超材料结构的耐用性和灵活性，尝试不同的对称超材料图案，并简化一些手动制造步骤。（逸文）