（圖片 1 說明：超材料天線（亮面網(wǎng)格狀材料）可集成到窗簾中，實現(xiàn)家庭照明的動態(tài)調(diào)節(jié)。圖中展示了該天線原型的收縮狀態(tài)（左上）、展開狀態(tài)（下），以及與鎖定機構(gòu)的組合（右上）。）

圖片來源：由研究人員提供

（圖片 2 說明：人體模型頭部上方放置著展開和收縮狀態(tài)的耳機原型。）

圖片說明：在智能耳機原型中，當超材料天線展開并彎曲時，其諧振頻率會偏移 2.6%，進而實現(xiàn)耳機模式的切換。

圖片來源：由研究人員提供

（圖片 3 說明：超材料天線收縮與展開形成的三種對稱圖案示例。）

圖片說明：利用超材料天線可構(gòu)建多種對稱圖案。

圖片來源：由研究人員提供

麻省理工學院（MIT）的研究人員研發(fā)出一種可重構(gòu)天線，它能通過改變自身物理形態(tài)動態(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用中具備更強的通用性。

用戶可通過拉伸、彎曲或擠壓該天線，對其輻射特性進行可逆調(diào)整，使設備無需復雜移動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)天線能適應不斷變化的環(huán)境條件，減少對多根天線的需求。

提到 “天線”，人們可能會想到金屬桿，比如老式電視機頂部的 “兔耳” 天線。但 MIT 團隊此次采用的并非傳統(tǒng)金屬，而是超材料—— 這類人工設計的材料，其剛度、強度等力學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)天線設計更為簡潔，可應用于多種場景，例如可穿戴設備的能量傳輸、增強現(xiàn)實（AR）的運動追蹤與傳感，以及跨多種網(wǎng)絡協(xié)議的無線通信。

此外，研究人員還開發(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，并通過激光切割機完成制造。

“通常提到天線，我們想到的都是固定形態(tài)的 —— 制造時就設定了特定性能，之后無法改變。但通過使用可變形為三種不同幾何狀態(tài)的負泊松比超材料，我們無需制造新結(jié)構(gòu)，只需改變天線的幾何形態(tài)，就能無縫調(diào)整其性能。而且，超材料幾何形態(tài)變化會導致天線射頻特性改變，我們還可將這種變化作為交互設計中的新型傳感方法�！� 該研究的第一作者、MIT 機械工程專業(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（Katherine Yan）、MIT 電氣與計算機科學專業(yè)研究生蒂查・塞薩帕迪（Ticha Sethapakdi）、韓國光州科學技術(shù)院的安秀妍（Soo Yeon Ahn），以及共同資深作者 —— 密歇根大學助理教授朱君毅（Junyi Zhu）、MIT 電氣與計算機科學系及機械工程系 TIBCO 職業(yè)發(fā)展副教授斯特凡妮・穆勒（Stefanie Mueller）（她同時擔任 MIT 計算機科學與人工智能實驗室人機交互小組負責人）。該研究成果將在 ACM 用戶界面軟件與技術(shù)研討會上展示。

解讀天線的多元價值

傳統(tǒng)天線的功能是輻射和接收無線電信號，而在這項研究中，團隊探索了天線作為傳感器的潛力。他們的目標是研發(fā)一種兼具機械功能與傳感天線功能的元件。

為實現(xiàn)這一目標，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。

天線的諧振頻率會隨其形態(tài)變化而偏移（就像拉伸 “兔耳” 天線的左側(cè)來減少電視雪花噪點一樣）。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)天線能通過這種方式檢測人體胸部的起伏，實現(xiàn)呼吸監(jiān)測。

為設計出通用性強的可重構(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。

通過改變超材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)，即可實現(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度，要么需要在天線上開設縫隙或孔洞。而超材料能讓單一結(jié)構(gòu)實現(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）的設備，由一層介電材料和兩側(cè)的導電層構(gòu)成。

在制造過程中，研究人員先用激光切割機在橡膠板上切割出介電材料層，再用導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)，即便是柔韌性最強的導電材料，也無法承受天線所需的形變程度。

“我們經(jīng)過多次嘗試后發(fā)現(xiàn)，若在結(jié)構(gòu)表面涂上柔性丙烯酸涂料，就能保護天線的鉸鏈結(jié)構(gòu)，避免其過早斷裂。” 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，研究人員開發(fā)了一款工具，方便用戶為特定應用場景設計和制作超材料天線。

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)的長寬比，系統(tǒng)會自動模擬出天線的諧振頻率范圍。

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

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

以智能耳機為例：當超材料天線展開并彎曲時，其諧振頻率會偏移 2.6%，從而觸發(fā)耳機模式切換。團隊的實驗還顯示，超材料天線結(jié)構(gòu)的耐用性極強，可承受超過 1 萬次壓縮操作。

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雜的結(jié)構(gòu)。例如，可將其集成到智能紡織品中，實現(xiàn)無創(chuàng)生物醫(yī)學傳感或溫度監(jiān)測。

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

本研究的部分資金支持來自巴林王儲國際獎學金項目與韓國光州科學技術(shù)院。