灵活可重构天线：开启传感与通信的新纪元

麻省理工学院的研究人员开发了一种可重配置天线，通过改变其物理形状动态调整频率范围，使其在通信和传感方面比静态天线更具多功能性。

用户可以拉伸、弯曲或压缩天线，对其辐射特性进行可逆的调整，使设备能够在更广泛的频率范围内工作，而无需复杂的运动部件。通过可调频率范围，可重配置天线可以适应不断变化的环境条件，并减少对多根天线的需求。

“天线”一词可能让人联想到旧电视机顶部的金属杆，如“兔耳天线”，但麻省理工学院的团队则使用了超材料——这些工程材料的机械特性，如刚度和强度，取决于材料组件的几何排列。

最终的结果是一个简化的可重配置天线设计，可用于可穿戴设备中的能量传输、增强现实中的运动跟踪和传感，或在广泛的网络协议中进行无线通信。

此外，研究人员开发了一种编辑工具，让用户能够生成定制的超材料天线，这些天线可以使用激光切割机制造。

“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，仅此而已。然而，通过使用可以变形为三种不同几何状态的auxetic超材料，我们可以轻松地改变天线的属性，而不需要制造新的结构。

“此外，我们可以利用天线的射频特性因超材料几何形状变化而变化，作为交互设计的新型传感方法，”麻省理工学院机械工程研究生Marwa AlAlawi说。

她的合著者包括麻省理工学院的本科生Regina Zheng和Katherine Yan，电气工程与计算机科学研究生Ticha Sethapakdi，韩国光州科技学院的Soo Yeon Ahn，以及共同资深作者：密歇根大学助理教授Junyi Zhu和麻省理工学院电气工程与计算机科学及机械工程系的TIBCO职业发展副教授Stefanie Mueller，后者还是计算机科学与人工智能实验室人机交互组的负责人。

这项研究将在2025年ACM用户界面软件与技术研讨会（UIST 2025）上展示，会议时间是9月28日至10月1日，地点在韩国釜山。

理解天线

传统天线主要用于辐射和接收无线信号，而在这项研究中，研究人员探讨了这些设备如何作为传感器。团队的目标是开发一种机械元件，也可以用作传感的天线。

为此，他们利用了天线的“共振频率”，也就是天线最有效的频率。

天线的共振频率会因其形状的变化而发生偏移。（想象一下延长左侧的“兔耳”以减少电视静电。）研究人员可以捕捉这些偏移以进行传感。例如，比如，可以用这种方式利用可重构天线来检测一个人胸部的扩张，从而监测他们的呼吸。

为了设计一种多功能可重构天线，研究人员使用了超材料。这些工程材料可以被编程以采用不同的形状，由周期性排列的单元格组成，这些单元格可以旋转、压缩、拉伸或弯曲。

通过变形超材料的结构，可以改变天线的共振频率。

“为了触发共振频率的变化，我们要么需要改变天线的有效长度，要么在天线上引入缝隙和孔洞。超材料使我们能够仅通过一个结构获得这些不同的状态，”AlAlawi说。

这个设备被称为元天线，由夹在两个导电层之间的介电材料层组成。

为了制造元天线，研究人员使用激光切割机从橡胶片中切割出介电材料。然后，他们在介电层上方用导电喷漆添加了一个补丁，制作了一个共振的“补丁天线”。

但他们发现，即使是最灵活的导电材料也无法承受天线所经历的变形。

“我们进行了大量的反复试验，以确定如果用柔性丙烯酸涂料涂覆该结构，它可以保护铰链，使其不会过早断裂，”AlAlawi解释道。

为制造者提供的工具

制造问题解决后，研究人员构建了一种工具，使用户能够为特定应用设计和生产超材料天线。

用户可以定义天线贴片的大小，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出天线的共振频率范围。

“超材料的魅力在于，由于它是一个相互连接的系统，几何结构使我们能够减少机械系统的复杂性，”AlAlawi说。

研究人员使用设计工具，将超天线集成到多个智能设备中，包括一个动态调节家庭照明的窗帘和可以在降噪模式和透明模式之间无缝切换的耳机。

例如，智能耳机，当超天线扩展和弯曲时，它会使共振频率提高2.6%，从而切换耳机模式。实验团队还发现，超天线结构非常耐用，能够承受超过10,000次的压缩。

由于天线贴片可以被印刷到任何表面，它可以与更复杂的结构结合使用。例如，天线可以被纳入智能纺织品中，用于非侵入式生物医学传感和温度监测。

未来，研究人员希望设计三维超材料天线，以满足更广泛的应用需求。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。