清华大学机械系臧浠凝课题组在低频跨介质通讯与无人系统协同工作领域取得新进展

在岩石、土壤和海水等高损耗介质中，高频无线电和GPS信号往往迅速失效，严重制约了无人探测、应急救援和环境监测等任务的开展。相比之下，低频信号具有更强的介质穿透能力，是实现跨介质通信的重要技术路径；但传统低频电磁天线通常体积巨大、效率低下，难以应用于移动平台和小型无人系统，亟需新的实现方式。

针对上述挑战，清华大学机械系臧浠凝课题组提出了一种基于永磁体的柔性微型低频机械天线，通过机械振动直接辐射低频磁场信号的方法，突破了传统天线尺寸需与波长匹配的限制。该天线采用3D打印工艺将柔性永磁薄膜与宏纤维复合压电致动器集成为一体，具有体积小、重量轻和高度柔性的特点，可弯折超过180°并贴附于曲面结构，适合集成于无人机等空间受限平台。在性能验证中，该机械天线在磁场强度衰减至1pT前的通信距离可达约60m，并在地下-地面、穿过岩土及水下等复杂环境中相较高频信号表现出显著优势。进一步地，研究团队在真实洞穴环境中完成了无人系统协同通信演示：搭载该低频机械天线的无人机将洞内探测到的目标坐标信息传输给洞外四足机器人，后者成功解码并在约1min内进入洞穴与无人机会合，展示了在无线电、GPS及视觉通信均受限条件下实现无人系统可靠协同的能力。

图1.基于永磁体的柔性微型低频机械天线在三维空-陆-海通信网络中的应用

图2.无人机和四足机器人通过低频通信在洞穴中协同作业

研究成果以“面向无人系统跨介质通信的柔性磁基微型低频机械天线”（A Flexible, Magnet-Based Miniaturized Low-Frequency Mechanical Antenna Enabling Cross-medium Communication between Unmanned Systems）为题，于12月13日发表于《通信工程》（Communications Engineering）。

清华大学机械工程系2023级博士生李庆昂为论文第一作者，机械工程系副教授臧浠凝为论文通讯作者。论文共同通讯作者包括北京航空航天大学教授崔勇和胡庆雷，合作单位包括北京大学、北京精密机电控制设备研究所、清华大学深圳国际研究生院等。研究得到国家自然科学基金等的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s44172-025-00569-1

供稿：机械系

编辑：李华山

审核：郭玲