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当前，MHz 和 GHz 电磁天线在跨介质通信中衰减高，机械天线存在尺寸大等问题。研究人员开展了可穿戴超声驱动磁偶极旋转谐振器（UA - MDRR）的研究。结果显示该装置发射能力强、功耗低。这为跨介质应急通信带来新突破。
在如今的通信领域，跨介质通信的重要性日益凸显，它就像一座无形的桥梁，连接着不同环境中的信息传递。然而，现有的通信技术却存在诸多难题。传统的 MHz 和 GHz 电磁天线在跨介质通信时，就像遇到了强大的阻力，信号衰减速度极快，导致通信质量大打折扣；而机械天线虽然试图解决这一问题，但它自身却有着尺寸大、能耗高、辐射能力弱等缺点，就像一个笨重的巨人，难以灵活地在各种环境中发挥作用。在水下或地下等特殊环境中，电场通信会受到介质导电性和介电常数的限制，传输范围有限且抗干扰能力弱；光波通信对方向性要求极高，而且在穿透介质时容易被吸收或散射；声波通信则受温度、盐度和水流等因素影响，信号容易衰减和失真。相比之下，极低频（ELF）电磁波具有出色的穿透能力，在海水等挑战性介质中衰减极小，本应是跨介质通信的理想选择。但要将其应用于可穿戴设备，却面临着天线尺寸和能耗的巨大挑战。在这样的背景下，为了突破跨介质通信的困境，深圳大学、武汉理工大学、北京大学、哈尔滨工程大学等多所高校的研究人员展开了深入研究，他们的成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员致力于开发一种创新的可穿戴设备，以实现高效的跨介质通信。最终，他们成功研制出了可穿戴超声驱动磁偶极旋转谐振器（UA - MDRR）。这一成果意义非凡，它为跨介质通信带来了新的曙光，为未来水下或地下救援、应急通信等场景提供了强有力的技术支持，有望彻底改变现有的通信格局。
研究人员在这项研究中用到了几个关键技术方法。在材料制备方面，通过混合 PZT - 4A 陶瓷粉与有机溶剂等，经多道工序制成多层压电陶瓷。在结构设计上，利用有限元分析（FEA）确定压电致动器的尺寸参数。同时，使用多种仪器进行测量，如用阻抗分析仪测量压电谐振器的阻抗，用激光位移传感器测量磁碟的转速等。
下面来看看具体的研究结果。
- 设计与工作机制分析：ELF 和超低频（ULF）电磁波能在海水中穿透较远而衰减较小，对跨介质通信至关重要。研究人员设计的 UA - MDRR 基于电磁 - 机械 - 磁（EMM）耦合原理工作。通过向压电谐振器施加交变电场，激发其超声频段的摆动振动模式，进而带动永磁盘旋转，通过磁偶极矩的旋转振荡发射 ELF 磁场信号。在 x - y 平面，该装置具有全向辐射特性123。
- 压电超声致动器的结构设计与驱动性能：压电超声致动器由多层压电陶瓷等构成，通过有限元分析确定其金属块的最佳厚度为 1.95mm。实验测量发现，驱动永磁盘旋转的电压仅需 6.5 VRMS ，最大转速可达 1350r/min，且能通过调整两相激励电压的相位实现正反转，便于信号调制。此外，该致动器输出功率高，功率密度达 190 mW/cm3 ，为磁偶极矩的旋转振荡提供了有力支持456。
- 超声驱动磁谐振器的辐射特性：旋转的永磁盘可形成磁偶极矩的旋转振荡并发射 ELF 磁场。研究发现，UA - MDRR 在 XY 平面呈全向辐射，在 YZ 平面呈椭圆或八字形辐射。它能在 22Hz 的带宽内发射 ELF 磁场，辐射强度与永磁体体积有关，在 100m 处可产生 2.64pT 的磁场，功耗仅 0.61W，性能远超现有同类设备789。
- 跨介质通信应用：研究人员利用自建的室内海水箱进行跨介质通信实验。结果表明，ELF 电磁波能有效穿过空气 - 海水界面，但在海水中传播距离增加时衰减加剧。通过幅度键控（ASK）调制方法，成功实现了可编程数字代码的传输，验证了该通信方式的可行性1011。
- 海水通信应用：将 UA - MDRR 集成到可穿戴手表中进行海水应急通信实验。采用 ASK 和相移键控（PSK）混合调制技术，提高了通信速率。实验中成功发送了国际摩尔斯电码 “SOS” 救援信号，凸显了其在水下应急通信中的巨大潜力121314。
研究结论和讨论部分再次强调了这项研究的重要意义。研究人员开发的 UA - MDRR，利用 EMM 耦合磁偶极矩旋转效应发射 ELF 电磁波或磁场信息。它不仅能在 100m 处的空气中和海水中分别传输 2.64pT 和 2.12pT 的磁场强度，功耗还极低。配合高灵敏度磁传感器，有望实现千米级跨介质通信，且单位体积发射能力比现有 ELF 天线高 1 - 2 个数量级。此外，该装置成功在空气和海水界面实现跨介质通信，能有效传输救援信号，为极端环境下的救生提供了新的可能。这一创新成果是 ELF 跨介质通信领域的重大突破，为下一代水下或地下救援及信号传输的移动、可穿戴电子产品的发展奠定了坚实基础。
