（圖片 1 說(shuō)明：超材料天線（亮面網(wǎng)格狀材料）可集成到窗簾中，實(shí)現(xiàn)家庭照明的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。圖中展示了該天線原型的收縮狀態(tài)（左上）、展開(kāi)狀態(tài)（下），以及與鎖定機(jī)構(gòu)的組合（右上）。）

圖片來(lái)源：由研究人員提供

（圖片 2 說(shuō)明：人體模型頭部上方放置著展開(kāi)和收縮狀態(tài)的耳機(jī)原型。）

圖片說(shuō)明：在智能耳機(jī)原型中，當(dāng)超材料天線展開(kāi)并彎曲時(shí)，其諧振頻率會(huì)偏移 2.6%，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)耳機(jī)模式的切換。

圖片來(lái)源：由研究人員提供

（圖片 3 說(shuō)明：超材料天線收縮與展開(kāi)形成的三種對(duì)稱圖案示例。）

圖片說(shuō)明：利用超材料天線可構(gòu)建多種對(duì)稱圖案。

圖片來(lái)源：由研究人員提供

麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員研發(fā)出一種可重構(gòu)天線，它能通過(guò)改變自身物理形態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整頻率范圍。相較于固定形態(tài)的天線，這種天線在通信和傳感應(yīng)用中具備更強(qiáng)的通用性。

用戶可通過(guò)拉伸、彎曲或擠壓該天線，對(duì)其輻射特性進(jìn)行可逆調(diào)整，使設(shè)備無(wú)需復(fù)雜移動(dòng)部件就能在更寬的頻率范圍內(nèi)工作。憑借可調(diào)節(jié)的頻率范圍，可重構(gòu)天線能適應(yīng)不斷變化的環(huán)境條件，減少對(duì)多根天線的需求。

提到 “天線”，人們可能會(huì)想到金屬桿，比如老式電視機(jī)頂部的 “兔耳” 天線。但 MIT 團(tuán)隊(duì)此次采用的并非傳統(tǒng)金屬，而是超材料—— 這類人工設(shè)計(jì)的材料，其剛度、強(qiáng)度等力學(xué)特性由材料組件的幾何排列方式?jīng)Q定。

最終研發(fā)出的可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)潔，可應(yīng)用于多種場(chǎng)景，例如可穿戴設(shè)備的能量傳輸、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）的運(yùn)動(dòng)追蹤與傳感，以及跨多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的無(wú)線通信。

此外，研究人員還開(kāi)發(fā)了一款編輯工具，用戶可借助該工具生成定制化超材料天線，并通過(guò)激光切割機(jī)完成制造。

“通常提到天線，我們想到的都是固定形態(tài)的 —— 制造時(shí)就設(shè)定了特定性能，之后無(wú)法改變。但通過(guò)使用可變形為三種不同幾何狀態(tài)的負(fù)泊松比超材料，我們無(wú)需制造新結(jié)構(gòu)，只需改變天線的幾何形態(tài)，就能無(wú)縫調(diào)整其性能。而且，超材料幾何形態(tài)變化會(huì)導(dǎo)致天線射頻特性改變，我們還可將這種變化作為交互設(shè)計(jì)中的新型傳感方法。” 該研究的第一作者、MIT 機(jī)械工程專業(yè)研究生瑪娃・阿拉拉維（Marwa AlAlawi）表示。

該研究的其他作者包括：MIT 本科生莉賈娜・鄭（Regina Zheng）和凱瑟琳・嚴(yán)（Katherine Yan）、MIT 電氣與計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)研究生蒂查・塞薩帕迪（Ticha Sethapakdi）、韓國(guó)光州科學(xué)技術(shù)院的安秀妍（Soo Yeon Ahn），以及共同資深作者 —— 密歇根大學(xué)助理教授朱君毅（Junyi Zhu）、MIT 電氣與計(jì)算機(jī)科學(xué)系及機(jī)械工程系 TIBCO 職業(yè)發(fā)展副教授斯特凡妮・穆勒（Stefanie Mueller）（她同時(shí)擔(dān)任 MIT 計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室人機(jī)交互小組負(fù)責(zé)人）。該研究成果將在 ACM 用戶界面軟件與技術(shù)研討會(huì)上展示。

解讀天線的多元價(jià)值

傳統(tǒng)天線的功能是輻射和接收無(wú)線電信號(hào)，而在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)探索了天線作為傳感器的潛力。他們的目標(biāo)是研發(fā)一種兼具機(jī)械功能與傳感天線功能的元件。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員利用了天線的 “諧振頻率”—— 即天線工作效率最高的頻率。

天線的諧振頻率會(huì)隨其形態(tài)變化而偏移（就像拉伸 “兔耳” 天線的左側(cè)來(lái)減少電視雪花噪點(diǎn)一樣）。研究人員可捕捉這種頻率偏移并將其用于傳感。例如，可重構(gòu)天線能通過(guò)這種方式檢測(cè)人體胸部的起伏，實(shí)現(xiàn)呼吸監(jiān)測(cè)。

為設(shè)計(jì)出通用性強(qiáng)的可重構(gòu)天線，研究人員選用了超材料。這類人工材料可通過(guò)編程呈現(xiàn)不同形態(tài)，由周期性排列的 “單元結(jié)構(gòu)” 組成，這些單元可旋轉(zhuǎn)、壓縮、拉伸或彎曲。

通過(guò)改變超材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)天線諧振頻率的偏移。

“要讓諧振頻率發(fā)生變化，我們要么需要改變天線的有效長(zhǎng)度，要么需要在天線上開(kāi)設(shè)縫隙或孔洞。而超材料能讓單一結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多種不同狀態(tài)�！� 阿拉拉維解釋道。

這款被命名為 “超材料天線”（meta-antenna）的設(shè)備，由一層介電材料和兩側(cè)的導(dǎo)電層構(gòu)成。

在制造過(guò)程中，研究人員先用激光切割機(jī)在橡膠板上切割出介電材料層，再用導(dǎo)電噴漆在介電層表面制作出 “貼片”，形成可諧振的 “貼片天線”。

但他們發(fā)現(xiàn)，即便是柔韌性最強(qiáng)的導(dǎo)電材料，也無(wú)法承受天線所需的形變程度。

“我們經(jīng)過(guò)多次嘗試后發(fā)現(xiàn)，若在結(jié)構(gòu)表面涂上柔性丙烯酸涂料，就能保護(hù)天線的鉸鏈結(jié)構(gòu)，避免其過(guò)早斷裂�！� 阿拉拉維解釋道。

為創(chuàng)作者提供便捷工具

解決了制造難題后，研究人員開(kāi)發(fā)了一款工具，方便用戶為特定應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)和制作超材料天線。

用戶可自定義天線貼片的尺寸、介電層的厚度，以及超材料單元結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)寬比，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)模擬出天線的諧振頻率范圍。

“超材料的優(yōu)勢(shì)在于，它是由相互連接的連桿構(gòu)成的系統(tǒng)，其幾何結(jié)構(gòu)能幫助我們降低機(jī)械系統(tǒng)的復(fù)雜性。” 阿拉拉維說(shuō)。

研究人員借助這款設(shè)計(jì)工具，將超材料天線集成到多款智能設(shè)備中，例如可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)家庭照明的窗簾，以及能無(wú)縫在降噪模式與通透模式間切換的耳機(jī)。

以智能耳機(jī)為例：當(dāng)超材料天線展開(kāi)并彎曲時(shí)，其諧振頻率會(huì)偏移 2.6%，從而觸發(fā)耳機(jī)模式切換。團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)還顯示，超材料天線結(jié)構(gòu)的耐用性極強(qiáng)，可承受超過(guò) 1 萬(wàn)次壓縮操作。

由于天線貼片可在任意表面形成圖案，因此它也適用于更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。例如，可將其集成到智能紡織品中，實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)生物醫(yī)學(xué)傳感或溫度監(jiān)測(cè)。

未來(lái)，研究人員計(jì)劃研發(fā)三維超材料天線，以拓展其應(yīng)用范圍。他們還將為設(shè)計(jì)工具增加更多功能，提升超材料結(jié)構(gòu)的耐用性與柔韌性，嘗試不同的對(duì)稱超材料圖案，并簡(jiǎn)化部分人工制造步驟。

本研究的部分資金支持來(lái)自巴林王儲(chǔ)國(guó)際獎(jiǎng)學(xué)金項(xiàng)目與韓國(guó)光州科學(xué)技術(shù)院。