麻省理工学院的新方法简化了复杂材料的构造过程

麻省理工学院的新方法简化了复杂材料的构造过程麻省理工学院和奥地利科学技术研究所的研究人员创建了一种技术，将许多不同的细胞超材料构建块纳入一个统一的基于图形的表示中。他们使用这种表示创建了一个用户友好的界面，工程师可以利用该界面快速轻松地对超材料建模、编辑结构并模拟其属性。图片来源：图片由LianeMakatura、BohanWang、BoleiDeng和WojciechMatusik提供细胞超材料——由以各种模式重复的单元或细胞组成的人造结构——可以帮助实现这些目标。但很难知道哪种细胞结构会产生所需的特性。即使人们关注的是由较小的构件（如互连梁或薄板）组成的结构，也有无数种可能的布置需要考虑。因此，工程师只能手动探索所有假设可能的细胞超材料中的一小部分。麻省理工学院和奥地利科学技术研究所的研究人员开发了一种计算技术，使用户可以更轻松地从任何较小的构建块中快速设计超材料单元，然后评估所得超材料的特性。他们的方法就像超材料的专用CAD（计算机辅助设计）系统一样，允许工程师快速对非常复杂的超材料进行建模，并对可能需要数天时间才能开发的设计进行实验。用户友好的界面还使用户能够探索潜在超材料形状的整个空间，因为所有构建块都可以使用。“我们提出了一种表示方法，可以涵盖工程师传统上感兴趣的所有不同形状。因为你可以用相同的方式构建它们，这意味着你可以在它们之间更流畅地切换，”麻省理工学院电气工程和计算机科学说研究生LianeMakatura，该技术论文的共同主要作者。Makatura与麻省理工学院博士后BohanWang共同撰写了这篇论文。Yi-LuChen，奥地利科学技术研究所（ISTA）研究生；BoleiDeng，麻省理工学院博士后；ISTA教授ChrisWojtan和BerndBickel；资深作者WojciechMatusik是麻省理工学院电气工程和计算机科学教授，领导麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室的计算设计和制造小组。该研究将在SIGGRAPH上展示。统一方法当科学家开发细胞超材料时，她通常首先选择一种用于描述其潜在设计的表示形式。此选择决定了可用于探索的形状集。例如，她可能会选择一种使用许多互连梁来表示超材料的技术。然而，这阻止了她探索基于其他元素的超材料，例如薄板或球体等3D结构。这些形状由不同的表示形式给出，但到目前为止，还没有一种统一的方法来用一种方法描述所有形状。“通过提前选择特定的子空间，你会限制你的探索并引入基于你的直觉的偏见。虽然这可能很有用，但直觉可能是不正确的，并且对于您的特定应用来说，其他一些形状可能也值得探索，”Makatura说。她和她的合作者退后一步，仔细研究了不同的超材料。他们发现构成整体结构的形状可以很容易地用低维形状来表示——梁可以简化为线，或者薄壳可以压缩为平坦的表面。他们还注意到，细胞超材料通常具有对称性，因此只需要表示结构的一小部分。其余部分可以通过旋转和镜像最初的部分来构建。“通过结合这两个观察结果，我们得出了这样的想法：细胞超材料可以很好地表示为图形结构，”她说。通过基于图形的表示，用户可以使用由顶点和边创建的构建块来构建超材料骨架。例如，要创建梁结构，需要在梁的每个端点放置一个顶点，并用一条线将它们连接起来。然后，用户使用该线上的函数来指定梁的厚度，该厚度可以变化，以便梁的一部分比另一部分厚。曲面的过程类似-用户用顶点标记最重要的特征，然后选择一个求解器来推断曲面的其余部分。这些易于使用的求解器甚至允许用户快速构建高度复杂的超材料，称为三周期最小表面（TPMS）。这些结构非常强大，但开发它们的通常过程是艰巨的并且容易失败。“通过我们的展示，您还可以开始组合这些形状。也许同时包含TPMS结构和梁结构的单元可以为您提供有趣的特性。但到目前为止，这些组合还没有得到任何程度的探索，”她说。在该过程结束时，系统输出整个基于图形的过程，显示用户为达到最终结构而采取的每项操作-所有顶点、边、解算器、变换和加厚操作。在用户界面中，设计人员可以在构建过程中的任何点预览当前结构，并直接预测某些属性，例如其刚度。然后，用户可以迭代地调整一些参数并再次评估，直到达到合适的设计。研究人员使用他们的系统重新创建了跨越许多独特类别的超材料的结构。一旦他们设计好骨架，每个超材料结构只需几秒钟即可生成。他们还创建了自动探索算法，为每个算法提供了一套规则，然后在他们的系统中将其放开。在一项测试中，算法在大约一小时内返回了1000多个潜在的基于桁架的结构。此外，研究人员还对10名几乎没有超材料建模经验的人进行了一项用户研究。用户能够成功地对他们给出的所有六种结构进行建模，并且大多数人都认为程序图表示使过程变得更容易。“我们的代表让人们更容易接触到各种结构。我们对用户生成TPMS的能力感到特别满意。即使对于专家来说，这些复杂的结构通常也很难生成。尽管如此，我们研究中的一种TPMS在所有六种结构中具有最低的平均建模时间，这令人惊讶且令人兴奋，”她说。未来，研究人员希望通过结合更复杂的骨骼增厚程序来增强他们的技术，以便该系统可以模拟更广泛的形状。他们还想继续探索自动生成算法的使用。从长远来看，他们希望使用该系统进行逆向设计，其中指定所需的材料属性，然后使用算法来找到最佳的超材料结构。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1389329.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1389329.htm

麻省理工学院揭幕"质子之舞"： 开拓能源新时代

麻省理工学院揭幕"质子之舞"：开拓能源新时代麻省理工学院的化学家们首次详细描绘了这些质子耦合电子转移是如何在电极表面发生的。他们的研究成果可以帮助研究人员设计出更高效的燃料电池、电池或其他能源技术。麻省理工学院化学和化学工程教授、该研究的资深作者YogeshSurendranath说："我们在这篇论文中取得的进展是研究和理解了这些电子和质子如何在表面部位耦合的性质，这与催化反应有关，而催化反应在能量转换装置或催化反应中非常重要。"在他们的研究成果中，研究人员能够准确追踪电极周围电解质溶液pH值的变化如何影响电极内质子运动和电子流动的速度。麻省理工学院研究生诺亚-刘易斯（NoahLewis）是这篇论文的第一作者，论文最近发表在《自然-化学》上。麻省理工学院前博士后RyanBisbey、麻省理工学院研究生KarlWestendorff和耶鲁大学研究科学家AlexanderSoudackov也是这篇论文的作者。质子传递质子耦合电子转移是指一种分子（通常是水或酸）将质子转移到另一种分子或电极表面，从而刺激质子接受者也接受一个电子。这种反应已被广泛应用于能源领域。"这些质子耦合电子转移反应无处不在。它们通常是催化机制中的关键步骤，对于制氢或燃料电池催化等能量转换过程尤为重要，"Surendranath说。在制氢电解槽中，这种方法用于从水中去除质子，并在质子上添加电子以形成氢气。在燃料电池中，当质子和电子从氢气中移出并加入氧气形成水时，就会产生电能。施加电势会导致质子从氢离子（右图）转移到电极表面。利用具有分子定义质子结合位点的电极，麻省理工学院的研究人员为这些界面质子耦合电子转移反应建立了一个通用模型。图片来源：研究人员提供质子耦合电子转移在许多其他类型的化学反应中都很常见，例如二氧化碳还原（通过添加电子和质子将二氧化碳转化为化学燃料）。当质子接受体是分子时，科学家们可以精确控制每个分子的结构，并观察电子和质子如何在分子间传递，因此他们已经对这些反应的发生过程有了很多了解。然而，当质子耦合电子转移发生在电极表面时，这一过程就更难研究了，因为电极表面通常非常异质，质子有可能与许多不同的位点结合。为了克服这一障碍，麻省理工学院的研究小组开发出一种设计电极表面的方法，使他们能够更精确地控制电极表面的组成。他们的电极由石墨烯薄片组成，表面附着有机含环化合物。每个有机分子的末端都有一个带负电荷的氧离子，它可以接受周围溶液中的质子，从而使电子从电路流入石墨表面。Surendranath说："我们可以创造出一种电极，它不是由各种各样的位点组成，而是由单一类型的非常明确的位点组成的统一阵列，每个位点都能以相同的亲和力结合质子。由于我们拥有这些非常明确的位点，这让我们能够真正揭示这些过程的动力学"。利用这个系统，研究人员能够测量流向电极的电流，从而计算出平衡状态下质子向表面氧离子转移的速率--质子向表面捐赠的速率和质子从表面转移回溶液的速率相等的状态。他们发现，周围溶液的pH值对这一速率有显著影响：最高速率出现在pH值的两端--酸性最强的pH值为0，碱性最强的pH值为14。为了解释这些结果，研究人员根据电极可能发生的两种反应建立了一个模型。在第一种反应中，强酸性溶液中高浓度的氢离子（H3O+）将质子传递给表面的氧离子，生成水。在第二种情况下，水将质子传递给表面氧离子，生成氢氧根离子（OH-），氢氧根离子在强碱性溶液中浓度较高。不过，pH值为0时的速度比pH值为14时的速度快四倍，部分原因是氢离子释放质子的速度比水快。需要重新考虑的反应研究人员还惊奇地发现，这两个反应的速率并不是在中性pH值为7（氢铵和氢氧根的浓度相等）时相等，而是在pH值为10（氢氧根离子的浓度是氢铵的100万倍）时相等。该模型表明，这是因为涉及氢𬭩或水提供质子的前向反应比涉及水或氢氧化物去除质子的后向反应对总速率的贡献更大。研究人员说，关于这些反应如何在电极表面发生的现有模型假定，前向反应和后向反应对总速率的贡献相同，因此新发现表明，可能需要重新考虑这些模型。Surendranath说："这是默认的假设，即正向和逆向反应对反应速率的贡献相同。我们的发现确实令人大开眼界，因为这意味着人们用来分析从燃料电池催化到氢进化等一切问题的假设可能是我们需要重新审视的。"研究人员目前正在利用他们的实验装置研究向电极周围的电解质溶液中添加不同类型的离子会如何加快或减慢质子耦合电子流的速度。刘易斯说："通过我们的系统，我们知道我们的位点是恒定的，不会相互影响，因此我们可以读出溶液的变化对表面反应的影响。"编译自//scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424095.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424095.htm

麻省理工学院首次控制量子随机性

麻省理工学院首次控制量子随机性想象一下，平静的海面突然起了波浪--这与量子层面的真空中发生的情况类似。在此之前，科学家们已经利用这些波动生成了随机数。它们也是量子科学家在过去一百年中发现的许多迷人现象的原因。利用真空波动生成可调谐随机数的实验装置。图片来源：CharlesRoques-Carmes、YannickSalamin麻省理工学院博士后CharlesRoques-Carmes和YannickSalamin、麻省理工学院教授MarinSoljačić和JohnJoannopoulos及其同事最近在《科学》（Science）杂志上发表了一篇论文，对上述发现进行了描述。传统上，计算机以确定性的方式运行，按照一系列预定义的规则和算法逐步执行指令。在这种模式下，如果多次运行相同的操作，总会得到完全相同的结果。这种确定性方法为我们的数字时代打下了基础，但也有其局限性，尤其是在模拟物理世界或优化复杂系统时，这些任务往往涉及大量的不确定性和随机性。从量子真空中生成可调随机数的艺术插图。图片来源：陈磊这就是概率计算概念发挥作用的地方。概率计算系统利用某些过程的内在随机性来执行计算。它们不会只提供一个"正确"的答案，而是提供一系列可能的结果，每个结果都有其相关的概率。这使它们非常适合模拟物理现象和解决优化问题，因为在这些问题中可能存在多种解决方案，而对各种可能性的探索可以找到更好的解决方案。工作的主要作者之一CharlesRoques-Carmes博士正在操作实验系统。图片来源：AnthonyTulliani然而，概率计算的实际应用在历史上一直受到一个重大障碍的阻碍：缺乏对量子随机性相关概率分布的控制。不过，麻省理工学院团队开展的研究揭示了一种可能的解决方案。具体来说，研究人员已经证明，向光学参量振荡器（一种自然生成随机数的光学系统）注入微弱的激光"偏压"，可以作为"偏压"量子随机性的可控源。"尽管对这些量子系统进行了广泛的研究，但非常微弱的偏置场的影响尚未得到探索，"该研究的研究员CharlesRoques-Carmes说。"我们发现的可控量子随机性不仅让我们能够重新审视量子光学中已有几十年历史的概念，而且还为概率计算和超精确场传感开辟了潜力。"该团队成功展示了操纵与光参量振荡器输出状态相关的概率的能力，从而创造了有史以来第一个可控光子概率位（p-bit）。此外，该系统还显示出对偏置场脉冲时间振荡的敏感性，甚至远低于单光子水平。工作的主要作者之一YannickSalamin博士正在操作实验系统。资料来源：AllysonMacBasino团队另一位成员YannickSalamin说："我们的光子p比特生成系统目前可以每秒生成10,000个比特，每个比特都可以遵循任意的二项分布。我们预计，这项技术将在未来几年不断发展，从而产生更高速率的光子p位，并实现更广泛的应用。"麻省理工学院的MarinSoljačić教授强调了这项工作的广泛意义："通过使真空波动成为可控元素，我们正在推动量子增强概率计算的发展。在组合优化和晶格量子色动力学模拟等领域模拟复杂动力学的前景非常令人兴奋"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382749.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382749.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