迷你天線：腦機介面和微型醫療器械的新玩法？

腦植入器是科幻小說里的「家常便飯」，科學家們正在嘗試將其變成現實。

近日，美國東北大學的工程師研發出了體積不到當前天線1/100的「迷你天線」，它能夠實現無線通信。該進展有助於製造微型腦植入器、微型醫療器械或者可穿戴在手指上的手機。

圖丨微型天線可以替代手機和身體監測器用的傳統天線

新型迷你天線能夠把電磁波（比如，光波和無線電波）和聲波（比如，聲音和無聲振動）區分開。電磁波是以波動的形式傳播的電磁場，傳播速度為光速（3億米/秒）。聲波是指發聲體產生的振動在空氣或其他物質中的傳播，在同一個頻率下，電磁波的波長比聲波的波長要長很多。

天線利用電磁波共振來接收信息，並將該共振轉變成電壓。為了產生共振，傳統天線的長度要與它接收的電磁波的波長相匹配，這就意味著傳統天線相對較長。但是，就如同吉他發聲的原理，天線也可與聲波發生共振，而新型天線就是利用了這一優勢。新型天線可以接收一定頻率的電磁波，該頻率與波長更短的同頻率聲波相匹配，這樣也就意味著，對於任一信號頻率，這款天線可以更短。

該技術的核心在於將接收的電磁波快速轉變成聲波。為了實現這一過程，三分之二的天線採用所謂的壓磁材料薄片，它在電磁場中能夠擴展與收縮。如果大小和形狀合適，該薄片就可以有效地將接收的電磁波轉變成聲波。然後，壓磁材料連接到壓電材料，把振動轉變成振動電壓。然後天線發出信號，信息沿著相反方向傳遞，從電壓到振動再到電磁波。該研究的作者Nian Sun是美國東北大學的一名電子工程師、材料學家，他表示，最大的挑戰在於找到合適的壓磁材料，最終他選定的是鐵、鎵和硼的組合材料。

該團隊研究了兩種聲波天線。一種是圓形天線，適用的工作頻率範圍是千兆赫茲，比如適用於WiFi的頻率。另一種是矩形天線，適用於兆赫茲頻率範圍，用於TV和收音機。每種天線的直徑都小於1毫米，並且這兩種可以製造在同個單晶片上。研究人員在一個特殊的絕緣室內進行了測試，結果與同樣大小的傳統環形天線相比，該迷你天線可以發送並接收2.5千兆赫茲的信號，效率提高了10萬倍。他們的研究成果發表在《自然通訊》上。

美國加利福尼亞大學的電氣工程師Y.Ethan Wang曾幫助研發該技術，他表示這項工作使原始概念更靠近現實了。但該技術還存在問題，美國亞利桑那州立大學的電氣工程師Rudy Diaz猜測，消費設備或者體內用天線可能由於其高能量密度而釋放很多熱量。另外，Wang也表示，聲波天線比較難製造，並且在很多情況下更大的傳統天線效果會更好。

不過，Sun也在探索迷你天線的實際應用。他正在縮小千赫茲的天線（能夠實現地面或者水下通信），將其從千米長度的電纜縮小到手掌大小的裝置。該天線可以為地面上的人與潛艇里或煤礦里的人建立聯繫。Sun還與麻省綜合醫院的一名神經外科醫生合作，研發了腦植入器，來讀取或者控制神經活動，有助於診斷並治療癲癇患者，甚至是建立腦機介面。

該迷你天線可能有助於減小行動電話的體積、減小衛星的體積、把微小物體連接到所謂的物聯網上，或者被用於到醫學檢測或身份鑒定。

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