麻省理工学院工程师利用量子点技术开发出低成本的太赫兹相机

麻省理工学院工程师利用量子点技术开发出低成本的太赫兹相机插图显示太赫兹照明（右上角的黄色曲线）进入新的相机系统，它刺激纳米级孔内的量子点（显示为照明环）发出可见光，然后使用基于CMOS的芯片（左下角）检测，就像数码相机中的那些。然而，设计检测和制作太赫兹波图像的设备一直是个挑战。因此，大多数现有的太赫兹设备是昂贵的，缓慢的，笨重的，并需要真空系统和极低的温度。现在，麻省理工学院、明尼苏达大学和三星公司的研究人员已经开发出一种新的相机，它可以快速检测太赫兹脉冲，具有高灵敏度，并且在室温和压力下。更重要的是，它可以同时实时捕捉到关于波的方向，或"偏振"的信息，而现有的设备无法做到。这种信息可以用来描述具有不对称分子的材料，或确定材料的表面细节。这个新系统使用被称为量子点的粒子。这些粒子最近被发现在受到太赫兹波的刺激时有能力发射出可见光。然后，这些可见光可以被一个类似于标准电子相机探测器的装置记录下来，甚至可以用肉眼看到。11月3日发表在《自然-纳米技术》杂志上的一篇论文描述了这一装置，作者是麻省理工学院的博士生史娇健、化学教授KeithNelson和其他12人。该团队制造了两种不同的装置，可以在室温下运行。一个是利用量子点将太赫兹脉冲转换为可见光的能力，使该装置能够产生材料的图像；另一个是产生显示太赫兹波偏振状态的图像。新的"照相机"由几层组成，采用像用于微芯片的标准制造技术制成。基板上有一排纳米级的平行金线，用窄缝隔开；上面是一层发光的量子点材料；上面是一个用于形成图像的CMOS芯片。偏振检测器使用类似的结构，但有纳米级的环形狭缝，这使得它能够检测到进入的光束的偏振。太赫兹辐射的光子具有极低的能量，这使得它们很难被检测到。因此，这个设备正在做的是将那小小的光子能量转化为易于用普通相机检测的可见物。在该团队的实验中，该设备能够在低强度水平上检测太赫兹脉冲，超过了今天大型和昂贵系统的能力。研究人员通过拍摄他们设备中使用的一些结构的太赫兹照明照片来证明该探测器的能力，例如纳米间隔的金线和用于偏振探测器的环形狭缝，证明了该系统的灵敏度和分辨率。一个CMOS相机被用来捕捉太赫兹光束的旋转。资料来源：研究人员提供开发一个实用的太赫兹相机需要一个产生太赫兹波以照亮一个物体的部件，以及另一个检测它们的部件。在后一点上，目前的太赫兹探测器要么非常慢，因为它们依赖于检测波冲击材料所产生的热量，而热量传播缓慢，要么它们使用相对较快的光电探测器，但灵敏度非常低。此外，直到现在，大多数方法都需要整个太赫兹探测器阵列，每个探测器产生一个像素的图像。问题在于每一个都相当昂贵，一旦他们开始被用来制造相机，探测器的成本就会开始迅速扩大。虽然研究人员说他们已经通过新的工作破解了太赫兹脉冲检测问题，但缺乏良好的源的问题仍然存在--而且世界各地的许多研究小组正在努力解决。尼尔森说，新研究中使用的太赫兹源是一个庞大而繁琐的激光器和光学设备阵列，不容易被扩展到实际应用中，但基于微电子技术的新源正在顺利开发中。论文的共同作者、明尼苏达大学电气和计算机工程系麦克奈特教授Sang-HyunOh补充说，虽然目前的太赫兹相机版本要花费数万美元，但该系统使用的CMOS相机的廉价特性使其"向建立实用的太赫兹相机迈进了一大步"。商业化的潜力促使制造CMOS相机芯片和量子点设备的三星公司合作开展这项研究。尼尔森说，这种波长的传统探测器在液氦温度（-452华氏度）下工作，这对于从背景噪声中挑出能量极低的太赫兹光子是必要的。这种新设备能够在室温下用传统的可见光相机检测并产生这些波长的图像，这一点出乎了从事太赫兹领域工作的人的意料。研究人员说，有许多途径可以进一步提高这种新相机的灵敏度，包括组件的进一步小型化和保护量子点的方法。他们说，即使在目前的检测水平上，该设备也可以有一些潜在的应用。在新设备的商业化潜力方面，Nelson说，量子点现在价格低廉，而且容易获得，目前被用于消费产品，如电视屏幕。相机设备的实际制造更加复杂，但也是基于现有的微电子技术。事实上，与现有的太赫兹探测器不同，整个太赫兹照相机芯片可以用今天的标准微芯片生产系统来制造，这意味着最终大规模生产这些设备应该是可能的，而且价格相对便宜。目前，尽管该相机系统离商业化还很远，但麻省理工学院的研究人员在需要快速检测太赫兹辐射时已经在使用这种新的实验室设备。"我们没有那些昂贵的相机，"纳尔逊说，"但是我们有很多这样的小设备。人们只需将其中一个插入光束中，用眼睛看一下可见光的发射，这样他们就知道太赫兹光束何时开启，这真的很方便。"虽然太赫兹波原则上可以用来探测一些天体物理现象，但这些来源将是极其微弱的，而且新设备无法捕捉这种微弱的信号，该团队正在努力提高其灵敏度。下一代的研究工作在于把所有东西都做得更小，它的灵敏度也会更高。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1332689.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1332689.htm

俄罗斯方块启发麻省理工学院在核安全技术方面取得突破

俄罗斯方块启发麻省理工学院在核安全技术方面取得突破基于"俄罗斯方块"游戏的新型探测器系统可以为监测核基地提供廉价、精确的辐射探测器。图片来源：EllaMaruStudio受"俄罗斯方块"启发的创新传感器设计现在，麻省理工学院和劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的研究人员已经找到了一种计算方法，可以设计出非常简单、精简的传感器装置，从而精确定位分布式辐射源的方向。该装置以简单的四面体为基础，可以确定辐射源的方向和距离，但探测器像素较少。他们还证明，通过移动传感器获得多个读数，就能精确定位辐射源的物理位置。他们巧妙创新的灵感来自一个令人惊讶的来源：流行的电脑游戏"俄罗斯方块"。麻省理工学院教授李明达、BenoitForget、高级研究科学家胡令文、首席研究科学家GordonKohse、研究生RyotaroOkabe和ShangjieXue、LBNL的研究科学家JaysonVavrekSM'16、PhD'19，以及麻省理工学院和劳伦斯伯克利大学的其他一些人在《自然-通讯》上发表的一篇论文中描述了该团队的研究成果，这些研究成果很可能被推广到其他类型辐射的探测器中。辐射传感的技术进步检测辐射通常使用半导体材料，如碲化镉锌，这种材料在受到伽马射线等高能辐射照射时会产生电反应。但由于辐射很容易穿透物质，因此很难通过简单的计数来确定信号的来源。例如，盖革计数器在接收到辐射时只会发出"咔嗒"声，而无法确定辐射的能量或类型，因此要找到辐射源就需要四处走动，试图找到最大的声音，这与手持式金属探测器的工作原理类似。这个过程需要用户靠近辐射源，这可能会增加风险。为了在不太靠近的情况下提供来自静止设备的方向信息，研究人员使用了一个探测器网格阵列和另一个称为掩膜的网格，掩膜会在阵列上印上根据信号源方向不同而不同的图案。每一个单独的探测器或像素接收到的信号的时间和强度不同，需要通过算法来解释。这通常会导致探测器的复杂设计。用"俄罗斯方块"形状简化检测程序用于感应辐射源方向的典型探测器阵列既庞大又昂贵，在一个10×10的阵列中至少包括100个像素。然而，该研究小组发现，只要使用四个像素，按照"俄罗斯方块"游戏中的四叶草形状排列，就能接近大型昂贵系统的精确度。关键在于根据每个传感器检测到信号的时间以及每个传感器检测到信号的相对强度，对射线的到达角度进行适当的计算机重建。研究人员尝试了四种不同的像素配置（正方形、S形、J形或T形），通过反复实验，他们发现S形阵列的结果最为精确。这种阵列提供的方向读数精确度在1度以内，但所有三种不规则形状的阵列都比正方形阵列表现更好。李说，"这种方法的灵感来自于'俄罗斯方块'"。使系统正常工作的关键是在像素之间放置一种绝缘材料，如铅板，以增加从不同方向进入探测器的辐射读数之间的对比度。这些简化阵列中像素之间的铅片与大型阵列系统中使用的更复杂的阴影遮罩具有相同的功能。研究小组发现，不那么对称的排列能从小型阵列中提供更有用的信息，该研究的主要作者Okabe解释说。简化辐射探测器的优势"使用小型探测器的优点在于工程成本方面。不仅单个检测器元件（通常由碲锌镉或CZT制成）价格昂贵，而且从这些像素获取信息的所有互连也变得复杂得多。"李补充说："就应用而言，探测器越小越简单越好。"虽然也有其他版本的简化阵列用于辐射探测，但许多阵列只有在辐射来自单一局部来源时才有效。这项工作的共同第一作者Xue补充说，它们可能会被多个辐射源或分散在空间的辐射源所混淆，而基于"俄罗斯方块"的版本则能很好地处理这些情况。实地测试和实际意义麻省理工学院的研究人员在不知道地面真实辐射源位置的情况下，在伯克利实验室用一个真实的铯辐射源进行了单盲现场测试，测试装置在找到辐射源的方向和距离方面具有很高的准确性。合著者、麻省理工学院核工程教授兼核科学与工程系主任Forget说："辐射绘图对核工业至关重要，因为它有助于快速定位辐射源，保证每个人的安全。"另一位共同第一作者瓦夫雷克说，虽然他们的研究重点是伽马射线源，但他认为他们开发的从有限像素中提取方向信息的计算工具"要通用得多"。它并不局限于某些波长，还可以用于中子，甚至其他形式的光，如紫外线。麻省理工学院核反应堆实验室的资深科学家胡补充说，使用这种基于机器学习的算法和空中辐射探测，"可以对辐射事故进行实时监测和综合应急规划"。爱达荷国家实验室防御系统分部的科学家尼克-曼恩说："这项工作对美国应对界和日益严重的放射性事件或事故威胁至关重要。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428100.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1428100.htm

量子挤压：麻省理工学院开启精密时钟的新纪元

量子挤压：麻省理工学院开启精密时钟的新纪元根据麻省理工学院的一项新研究，时钟、激光器和其他振荡器可以调整到超量子精度，从而使研究人员能够追踪时间上无限微小的差异。图片来源：麻省理工学院新闻时钟的稳定性取决于其所处环境的噪音。一阵微风就会使钟摆的摆动失去同步。热量也会扰乱原子钟中原子的振荡。消除这些环境影响可以提高时钟的精度。但也仅此而已。麻省理工学院的一项新研究发现，即使消除了来自外界的所有噪声，时钟、激光束和其他振荡器的稳定性仍然容易受到量子力学效应的影响。振荡器的精度最终将受到量子噪声的限制。但理论上，有一种方法可以突破这一量子限制。在他们的研究中，研究人员还表明，通过操纵或"挤压"造成量子噪声的状态，振荡器的稳定性可以得到改善，甚至突破其量子极限。麻省理工学院机械工程系助理教授维维谢克-苏迪尔（VivishekSudhir）说："我们所展示的是，激光和时钟等振荡器的稳定性实际上是有极限的，这个极限不仅是由它们所处的环境设定的，也是量子力学迫使它们左右晃动的事实设定的。然后，我们已经证明，你甚至有办法绕过量子力学的晃动。但你必须更聪明，而不仅仅是把它与环境隔离开来，必须玩弄量子态本身。"研究小组正在对他们的理论进行实验测试。如果他们能证明可以操纵振荡系统中的量子态，研究人员设想可以将时钟、激光和其他振荡器调整到超量子精度。然后，这些系统就可以用来追踪时间上无限微小的差异，比如量子计算机中单个量子比特的波动，或者在探测器之间闪烁的暗物质粒子的存在。麻省理工学院物理系研究生哈德森-拉夫林（HudsonLoughlin）说："我们计划在未来几年内展示几种具有量子增强计时能力的激光器。我们希望，我们最近的理论发展和即将进行的实验将推进我们精确计时的基本能力，并实现新的革命性技术。"Loughlin和Sudhir在《自然-通讯》（NatureCommunications）杂志上发表的一篇开放存取论文中详细介绍了他们的工作。激光精度在研究振荡器的稳定性时，研究人员首先研究了激光--一种能产生高度同步光子的波状光束的光学振荡器。激光的发明主要归功于物理学家阿瑟-肖洛（ArthurSchawlow）和查尔斯-汤斯（CharlesTownes）。激光器的设计以"发光介质"为中心，"发光介质"是原子的集合，通常镶嵌在玻璃或晶体中。在最早的激光器中，围绕着发光介质的闪光灯管会刺激原子中的电子跃升能量。当电子放松回到较低能量时，就会以光子的形式发出一些辐射。照明介质两端的两面镜子会将发出的光子反射回原子中，从而激发更多的电子，产生更多的光子。其中一面镜子与激光介质一起充当"放大器"，促进光子的产生，而第二面镜子部分透射，充当"耦合器"，将一些光子提取出来，形成一束集中的激光。自激光器发明以来，Schawlow和Townes提出了一个假设，即激光器的稳定性应受到量子噪声的限制。此后，其他人通过模拟激光的微观特征来验证他们的假设。通过非常具体的计算，他们表明，激光光子和原子之间难以察觉的量子相互作用确实会限制其振荡的稳定性。Sudhir指出："但这项工作必须进行极其细致、微妙的计算，这样才能理解这种限制，但仅限于特定种类的激光。我们希望极大地简化这一过程，以了解激光器和各种振荡器。"“施加压力”研究小组并没有把重点放在激光错综复杂的物理特性上，而是致力于简化问题。"Sudhir解释说："当电气工程师考虑制造振荡器时，他们会使用一个放大器，然后将放大器的输出馈入自己的输入端。这就像蛇吃自己的尾巴。这是一种极为自由的思维方式。你不需要了解激光的细枝末节。取而代之的是一幅抽象的图景，不仅是激光器的图景，也是所有振荡器的图景。"在他们的研究中，研究小组绘制了一幅类似激光振荡器的简化图。他们的模型由一个放大器（如激光的原子）、一条延迟线（例如，光在激光反射镜之间传播所需的时间）和一个耦合器（如部分反射镜）组成。研究小组随后写下了描述系统行为的物理方程，并进行了计算，以了解量子噪声会在系统的哪个位置出现。"通过将这一问题抽象为一个简单的振荡器，我们可以精确定位量子波动进入系统的位置，它们来自两个地方：放大器和使我们能够从振荡器中获得信号的耦合器，"Loughlin说。"如果我们知道了这两点，我们就知道了该振荡器稳定性的量子极限是多少"。科学家们可以利用他们在研究中列出的方程来计算自己振荡器的量子极限。更重要的是，研究小组证明，如果可以"挤压"两个信号源之一的量子噪声，就有可能克服这一量子极限。量子挤压是指以成比例地增加系统某一方面的量子波动为代价，使其最小化。这种效果类似于将气球中的空气从一部分挤入另一部分。在激光器中，研究小组发现，如果耦合器中的量子波动被挤压，就能提高输出激光束的精度或振荡时间，即使激光功率中的噪声会因此增加。"当你发现某种量子力学极限时，总会有这样一个问题：这种极限的可塑性有多大？"Sudhir说。"它真的是一个硬性的限制吗，或者说，通过操纵量子力学，你是否还能提取出一些果汁？在这种情况下，我们发现是有的，这是一个适用于一大类振荡器的结果。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1400943.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1400943.htm

麻省理工学院在有毒气体检测技术方面取得了突破性进展

麻省理工学院在有毒气体检测技术方面取得了突破性进展访问：NordVPN立减75%+外加3个月时长另有NordPass密码管理器新系统结合了两种现有技术，既保留了各自的优点，又避免了它们的局限性。研究小组使用了一种被称为金属有机框架（MOF）的材料，这种材料对微量气体非常敏感，但其性能很快就会退化，研究小组将其与一种聚合物材料相结合，这种材料非常耐用，更易于加工，但敏感性要低得多。麻省理工学院教授AristideGumyusenge、MirceaDinca、HeatherKulik和JesusdelAlamo、研究生HeejungRoh以及博士后Dong-HaKim、YeongsuCho和Young-MooJo今天在《先进材料》（AdvancedMaterials）杂志上发表了一篇论文，报告了这一研究成果。麻省理工学院的研究人员开发出一种探测器，可以低成本持续监测有毒气体的存在。研究小组使用了一种名为金属有机框架（MOF）的材料（图中为黑色晶格），这种材料对微量气体高度敏感，但其性能很快就会退化。他们将MOF与一种聚合物材料（如图中的茶色半透明链）相结合，这种材料非常耐用，但灵敏度要低得多。图片来源：研究人员提供MOFs多孔性强，表面积大，有多种成分。有些可能是绝缘体，但本研究中使用的MOFs具有很强的导电性。它们的形状像海绵，能有效捕捉各种气体分子，其孔隙的大小可以定制，使它们对特定种类的气体具有选择性。"论文的资深作者、材料科学与工程系MertonC.Flemings职业发展助理教授Gumyusenge说："如果把它们用作传感器，只要气体对MOF的电阻率有影响，就能识别出气体是否存在。这些材料用作气体检测器的缺点是容易饱和，无法再检测和量化新输入的气体。"这不是你想要的。你想要的是能够检测和重复使用，"Gumyusenge说。"因此，我们决定使用聚合物复合材料来实现这种可逆性。"研究小组使用了一类导电聚合物，Gumyusenge和他的同事们之前已经证明，这类聚合物可以对气体做出反应，而不会与气体永久结合。"他说："这种聚合物虽然没有MOFs那样的高表面积，但至少可以提供这种识别-释放型现象。研究人员在一个实验室规模的小型装置中展示了这种材料检测一氧化二氮（一种由多种燃烧产生的有毒气体）的能力。经过100次检测后，这种材料仍能保持其基线性能，误差在5%到10%之间，这证明了它具有长期使用的潜力。以下是传感装置的布局。图片来源：研究人员提供研究小组将液态溶液中的聚合物与粉末状的MOF材料结合在一起，然后将混合物沉积在基底上，干燥后形成一层均匀的薄涂层。他说："通过将具有快速检测能力的聚合物和灵敏度更高的MOF以一比一的比例结合在一起，我们突然得到了一种传感器，它既具有MOF带来的高灵敏度，又具有聚合物带来的可逆性。"当气体分子暂时滞留在材料中时，材料的电阻会发生变化。只需安装一个欧姆表来跟踪电阻随时间的变化，就能持续监测这些电阻变化。Gumyusenge和他的学生们在一个实验室规模的小型装置中演示了这种复合材料检测二氧化氮的能力。经过100次检测后，该材料仍能保持其基线性能，误差在5%到10%之间，证明了其长期使用的潜力。此外，研究小组报告说，这种材料的灵敏度远远高于目前使用的大多数二氧化氮检测器。这种气体经常在使用炉灶后被检测到。而且，由于这种气体最近与美国的许多哮喘病例有关，因此对低浓度的可靠检测非常重要。研究小组证明，这种新型复合材料可以可逆地检测到浓度低至百万分之二的气体。虽然他们的演示是专门针对二氧化氮的，但Gumyusenge说："我们可以调整化学成分，使其针对其他挥发性分子，只要它们是小的极性分析物，这往往是大多数有毒气体"。除了与简单的手持式探测器或烟雾报警装置兼容之外，这种材料的一个优点是，聚合物使其能够沉积成极薄的均匀薄膜，而不像普通的MOFs通常是低效的粉末状。由于薄膜非常薄，因此所需的材料很少，生产材料成本可能很低；加工方法可以是典型的工业涂料加工方法。Gumyusenge说："因此，限制因素可能是聚合物合成规模的扩大，我们一直在少量合成聚合物。"他说："下一步将是在实际环境中对这些材料进行评估。例如，可以在烟囱或排气管上涂上这种材料，通过附带的电阻监测装置读取数据，对气体进行连续监测。在这种环境下，我们需要进行测试，以检查我们是否真正将其与实验室环境中可能忽略的其他潜在污染物区分开来。让我们把传感器放到真实世界的场景中，观察它们的效果如何"。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1431290.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1431290.htm

麻省理工学院的自供电传感器 能自动收集环境中的磁能

麻省理工学院的自供电传感器能自动收集环境中的磁能麻省理工学院的研究人员开发出一种无需电池、自供电的传感器，可以从环境中获取能量。资料来源：麻省理工学院ChristineDaniloff研究人员制造了一种温度感应装置，它能从电线周围露天产生的磁场中获取能量。人们只需将传感器夹在带电导线（可能是为电机供电的导线）周围，它就会自动收集并储存能量，用来监测电机的温度。"这就是环境电能--我不必通过特定的焊接连接就能获得的能量。"电子研究实验室成员、电子工程与计算机科学（EECS）伊曼纽尔-兰兹曼（EmanuelE.Landsman）教授兼机械工程学教授SteveLeeb说："这使得这种传感器非常容易安装。"这个能量管理接口是一个自供电、无需电池的传感器的"大脑"，它可以从电线周围露天产生的磁场中获取工作所需的能量。图片来源：研究人员提供，经《麻省理工新闻》编辑在这篇刊登在《电气和电子工程师学会传感器杂志》1月刊上的特写文章中，研究人员为能量收集传感器提供了一个设计指南，让工程师能够平衡环境中的可用能量和他们的传感需求。论文为能够在运行过程中持续感知和控制能量流的设备的关键组件绘制了路线图。这种多用途设计框架并不局限于收集磁场能量的传感器，还可应用于使用其他电源（如振动或阳光）的传感器。它可用于为工厂、仓库和商业空间构建安装和维护成本更低的传感器网络。"我们提供了一个无电池传感器的例子，它能做一些有用的事情，并证明这是一个切实可行的解决方案。希望其他人也能利用我们的框架来设计他们自己的传感器。"与Monagle和Leeb一起参与论文撰写的还有电子工程与科学研究生EricPonce。美国海军学院武器与控制工程副教授约翰-多纳尔（JohnDonnal）没有参与这项工作，他研究的是监控舰船系统的技术。他说，要在舰艇上获得电源是很困难的，因为插座很少，而且对可以插入哪些设备有严格限制。多纳尔补充说："例如，持续测量泵的振动可以为船员提供轴承和支架健康状况的实时信息，但为加装的传感器供电往往需要大量额外的基础设施，以至于不值得投资。像这样的能量收集系统可以在船舶上加装各种诊断传感器，大大降低整体维护成本。"研究人员必须应对三大挑战，才能开发出一种有效、无需电池的能量收集传感器。首先，系统必须能够冷启动，这意味着它可以在没有初始电压的情况下启动电子设备。他们利用集成电路和晶体管网络实现了这一点，使系统能够储存能量，直到达到一定的阈值。只有当系统储存了足够的能量，可以完全运行时，它才会开启。其次，该系统必须在不使用电池的情况下有效地储存和转换所收集的能量。虽然研究人员可以在系统中加入电池，但这会增加系统的复杂性，并可能带来火灾风险。"您甚至可能连派出技术人员更换电池的奢望都没有。相反，我们的系统是免维护的。它可以自行采集能量并运行，"Monagle补充道。为了避免使用电池，它们采用了内部储能技术，包括一系列电容器。电容器比电池更简单，它将能量储存在导电板之间的电场中。电容器可由各种材料制成，其功能可根据各种工作条件、安全要求和可用空间进行调整。研究小组精心设计了电容器，使其足够大，能够储存设备开启和开始收集电能所需的能量，但又足够小，充电阶段不会花费太长时间。此外，由于传感器可能会在几周甚至几个月后才开启进行测量，因此他们要确保电容器能够保持足够的能量，即使有些能量会随着时间的推移而泄漏。最后，他们开发了一系列控制算法，动态测量和预算设备收集、储存和使用的能量。微控制器是能量管理界面的"大脑"，它不断检查储存了多少能量，并推断是否要打开或关闭传感器、进行测量，或者将收割机调到更高的档位，以便收集更多能量，满足更复杂的传感需求。Monagle解释说："就像你在自行车上换挡一样，能量管理界面会查看收割机的工作情况，主要是看它是踩得太用力还是太轻，然后它就会改变电子负载，从而最大限度地提高收割功率，并使收割功率与传感器的需求相匹配。"利用这一设计框架，他们为一个现成的温度传感器构建了一个能量管理电路。该设备收集磁场能量，并利用磁场能量持续采样温度数据，然后通过蓝牙将数据发送到智能手机接口。研究人员使用超低功耗电路设计该装置，但很快发现，这些电路在崩溃前可承受的电压有严格限制。收集过多的电能可能会导致设备爆炸。为了避免这种情况，他们在微控制器中的能量收集器操作系统会在存储的能量过多时自动调整或减少收集量。他们还发现，通信--传输温度传感器收集的数据--是迄今为止最耗电的操作。Monagle说："确保传感器有足够的存储能量来传输数据是一项长期的挑战，需要精心设计。"未来，研究人员计划探索能耗较低的数据传输手段，如使用光学或声学。他们还希望更严格地模拟和预测进入系统的能量，或传感器测量所需的能量，以便设备能有效地收集更多数据。"如果你只进行你认为需要的测量，你可能会错过一些真正有价值的东西。如果有更多的信息，你可能会了解到一些你意想不到的设备运行情况。我们的框架可以让您平衡这些考虑因素，"Leeb说。"这篇论文详细阐述了实用的自供电传感器节点在现实场景中的内部结构。"佛罗里达农工大学-佛罗里达州立大学工程学院电气与计算机工程助理教授JinyeongMoon说："整体设计指南，尤其是冷启动问题，非常有帮助。计划为无线传感器节点设计自供电模块的工程师将从这些指南中获益匪浅，轻松勾选传统上与冷启动相关的繁琐清单"。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424969.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424969.htm

麻省理工学院公布水下通信技术研究的开创性进展

麻省理工学院公布水下通信技术研究的开创性进展"几年前，水下通信的功率降低了一百万倍，这是一个非常令人兴奋的想法，但现在却变得切实可行。电子工程与计算机科学系副教授、麻省理工学院媒体实验室信号动力学小组主任法德尔-阿迪布（FadelAdib）说："虽然仍有一些有趣的技术挑战需要解决，但从我们现在所处的位置到部署，已经有了一条清晰的道路。该设备是一个压电传感器阵列，可实现无电池水下通信。图片来源：研究人员提供水下反向散射通过将数据编码在声波中，然后反射或散射回接收器，从而实现低功耗通信。这些创新技术使反射信号能够更精确地指向信号源。由于这种"反向指向性"，散射到错误方向的信号更少，从而实现了更高效、更远距离的通信。在河流和海洋中进行测试时，反向定向装置的通信距离是以前装置的15倍以上。不过，实验受到了研究人员可用码头长度的限制。为了更好地了解水下反向散射的极限，研究小组还开发了一个分析模型来预测该技术的最大范围。他们利用实验数据对该模型进行了验证，结果表明，他们的反向定向系统可以在千米范围内进行通信。研究人员在两篇论文中分享了这些发现，这两篇论文将在今年的ACMSIGCOMM和MobiCom会议上发表。阿迪布是这两篇论文的资深作者，与他共同撰写SIGCOMM论文的还有前博士后、现密歇根大学助理教授阿琳-艾德（AlineEid）和研究助理杰克-拉德马赫（JackRademacher），以及研究助理瓦利德-阿克巴（WaleedAkbar）、王璞睿（PuruiWang）和博士后艾哈迈德-阿拉姆（AhmedAllam）。MobiCom论文的共同第一作者也是Akbar和Allam。三名团队成员在伍兹霍尔研究所进行实验。图片来源：研究人员提供利用声波进行通信水下反向散射通信设备利用"压电"材料制成的节点阵列来接收和反射声波。这些材料在受到机械力作用时会产生电信号。当声波撞击节点时，它们会振动并将机械能转化为电荷。节点利用电荷将部分声波能量散射回声源，传输数据，接收器根据反射序列对数据进行解码。但是，由于背向散射信号会向各个方向传播，只有一小部分能到达声源，从而降低了信号强度，限制了通信范围。为了克服这一难题，研究人员利用了一种已有70年历史的无线电设备--范阿塔阵列，在这种设备中，对称的一对天线以这样一种方式连接起来，使阵列能将能量反射回信号来源的方向。然而，将压电节点连接起来组成范阿塔阵列会降低其效率。研究人员通过在成对连接的节点之间放置一个变压器，避免了这一问题。变压器将电能从一个电路传输到另一个电路，使节点能够将最大能量反射回源。"两个节点都在接收，两个节点都在反射，因此这是一个非常有趣的系统。"艾德解释说："随着该系统中元件数量的增加，你可以建立一个阵列，从而实现更远的通信距离。"此外，他们还使用了一种名为跨极性切换的技术，在反射信号中编码二进制数据。每个节点都有一个正极和一个负极（就像汽车电池），因此当两个节点的正极相连，两个节点的负极相连时，反射信号就是"1位"。但如果研究人员调换极性，将负极和正极相互连接，那么反射信号就是"零位"。"仅仅将压电节点连接在一起是不够的。通过交替改变两个节点的极性，我们就能将数据传输回远程接收器，"Rademacher解释道。在建造VanAtta阵列时，研究人员发现如果连接的节点太近，就会相互屏蔽信号。他们设计了一种节点交错的新设计，使信号可以从任何方向到达阵列。采用这种可扩展的设计，阵列的节点越多，通信范围就越大。他们与伍兹霍尔海洋研究所合作，在马萨诸塞州剑桥市的查尔斯河和马萨诸塞州法尔茅斯海岸附近的大西洋上对阵列进行了1500多次实验测试。该装置的通信距离达到300米，比他们之前展示的距离长15倍多。不过，由于码头空间不够，他们不得不缩短实验时间。模拟最大值这启发了研究人员建立一个分析模型，以确定这种新型水下反向散射技术的理论和实际通信极限。在他们小组研究射频识别（RFID）的基础上，研究小组精心制作了一个模型，以捕捉系统参数（如压电节点的大小和信号的输入功率）对设备水下工作范围的影响。"这不是一种传统的通信技术，因此你需要了解如何量化反射。不同组件在这一过程中的作用是什么？"阿克巴说。例如，研究人员需要推导出一个函数，捕捉特定尺寸的水下压电节点反射出的信号量，这是开发模型的最大挑战之一。他们利用这些见解创建了一个即插即用的模型，用户可以输入输入功率和压电节点尺寸等信息，并获得显示系统预期范围的输出。他们根据实验数据对模型进行了评估，发现该模型可以准确预测逆向声学信号的范围，平均误差小于1分贝。利用这一模型，他们发现水下反向散射阵列有可能实现千米长的通信距离。"我们正在创造一种新的海洋技术，并将其推向我们一直在做的6G蜂窝网络领域。"阿迪布说："对我们来说，这是一件非常有意义的事情，因为我们现在已经开始看到这种技术非常接近现实。"研究人员计划继续研究水下反向散射VanAtta阵列，或许可以使用船只，这样他们就能评估更远的通信距离。同时，他们还打算发布工具和数据集，以便其他研究人员在此基础上开展工作。与此同时，他们也开始向这项技术的商业化迈进。"射程有限一直是水下反向散射网络的一个公开问题，阻碍了它们在现实世界中的应用。"加州大学洛杉矶分校计算机科学助理教授奥米德-阿巴里（OmidAbari）说："这篇论文使水下通信在实现远距离传输的同时以最小的能量运行，从而在未来的水下通信领域迈出了重要的一步。这篇论文首次将VanAttaReflector阵列技术引入水下反向散射环境，并展示了该技术在将通信距离提高几个数量级方面的优势。这可以让无电池水下通信离现实更近一步，从而实现水下气候变化监测和海岸监测等应用"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385025.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385025.htm