磁电天线可能改变水下机器人的通信方式

# 新型磁电天线欲将水下通信效率提升8000亿倍 来源：https://newatlas.com/engineering/magnetoelectric-antennas-submarine-robots-communications 大多数水下机器人一旦下潜就会与水面失去联系。但一种从医疗植入物物理学中借鉴而来的新型天线技术，正在彻底改变水下机器之间——以及它们与我们——的通信方式。 无线电波在水下几乎无用。在盐水中，传统信号每米衰减1至10分贝，通信距离仅限几英尺。声学通信虽然能实现更远距离，却会带来多普勒失真（由运动引起的频率偏移）、多径干扰（来自海底和海面的回声）以及可能伤害海洋生物的噪音。光学系统速度极快，但需要直视路径，在浑浊水域或微生物积累导致镜头性能下降时会失效。最终结果是，目前大多数水下机器人要么只能交换简短的状态信号，要么必须浮出水面才能传输任务数据，严重限制了实时自主能力。 一种名为BlueME的新型天线旨在改变这一现状。这套新通信系统由佛罗里达大学团队开发，能使自主水下航行器（AUV）在约10瓦功率下（低于家用LED灯泡）可靠地交换数据，传输距离可达730米（2395英尺）。 这项研究成果已被《IEEE海洋工程杂志》接收，其起源却来自一个看似不相关的领域。项目联合负责人亚当·哈利法（Adam Khalifa）曾多年设计微型无线植入物，后来他注意到一个事后看来显而易见的现象。“某个时刻我突然意识到，人体内部的许多物理挑战在水下同样存在，”他解释说，“我们的身体本质上由微咸水构成。这一认识为我们以完全不同方式思考海洋通信打开了大门。” BlueME的关键创新在于一种磁电（ME）天线，该设备按顺序耦合两种物理效应：磁场使由Metglas材料制成的磁致伸缩层发生形变，这种机械形变随后在相邻的压电层（PZT，一种常用于传感器和执行器的陶瓷材料）中感应出电压。如果逆向运行，它就成为发射器。最终得到的天线能在极低频率（约35–36千赫兹）下工作，同时比工作在相同频率的传统电天线紧凑得多。 整个系统将15个这样的天线封装成3×5阵列，安装在油补偿防水外壳中，以平衡深水处的巨大静水压力。该设计反直觉之处在于，磁电天线在浸入水中时性能反而提升。在36千赫兹时，波长从空气中的约8327米（27320英尺）压缩至淡水中的仅170米（558英尺）——这种压缩极大地提升了小型天线的辐射效率。15个天线同时工作，辐射功率相比单个元件提高225倍；再配合匹配的接收阵列，理论上的总链路改善可达约119分贝。 BlueME系统示意图，展示磁电天线如何在水面操作员与水下机器人之间传输数据 马里兰·贾希杜尔·伊斯兰（Md Jahidul Islam）博士和亚当·哈利法（Adam Khalifa）博士 / 佛罗里达大学 团队在两个地点进行了开放水域测试：佛罗里达州盖恩斯维尔的沃伯格湖（淡水）和佛罗里达墨西哥湾沿岸（盐水）。在淡水中，BlueME仅用1瓦功率即可在200米（656英尺）距离上维持可靠通信。在盐水中，系统在不到10瓦功率下检测到了730米（2395英尺）外的信号——并且性能不受浊度、障碍物或多径干扰的影响。 数据传输速率在1千比特/秒到100千比特/秒之间，远低于光学系统在理想条件下能达到的千兆比特速度。但速度从来不是重点。“想象一下，机器人每十分钟向你反馈一次任务进展，操作员可以实时做出决策，甚至调整任务，”联合负责人贾希杜尔·伊斯兰（Md Jahidul Islam）说。 据作者称，这篇论文（https：//arxiv.org/pdf/2411.09241）代表了磁电天线首次实际户外部署，以及同类天线中规模最大的甚低频/低频阵列。团队已提交临时专利申请，正寻求资金以完善硬件并在全尺寸AUV上进行试验，潜在应用包括协同编队导航、海底测绘和实时定位。 “我们以极其有限的初始资源就展示了这些成果，”哈利法指出，“随着专门开发和更大规模部署，可能性将变得更为广阔。” “我们正谈论的是一种极具潜力产品的早期阶段，”伊斯兰补充道。 来源：佛罗里达大学（https：//news.ufl.edu/2026/05/marine-robot-communication/）