常见的移动通信，比如对讲机、手机天线，通常在数百MHz甚至GHz频率下工作，可以满足常规的地面通信。但是在海下、水下，以及地下通信，或其他高损耗跨介质环境中，这种高频电磁波通信的使用受到了很大的限制，因为水下、地下存在很强的高频电磁波衰减效应。相比之下，极低频（ELF）电磁波具有出色的穿透能力，在复杂介质如海水、地下介质中衰减最?。?lt;0.19 dB/m）。因此，在恶劣的跨介质信道环境中，ELF长（电磁）波是最有效的通信方式之一。尽管如此，依靠传统的电磁天线发射ELF长波， 需要极大的、长达数千米天线，且功耗非常高。为解决这一问题，一些学者尝试采用应变介导的磁电（ME）耦合和线性声波共振取代传统的电磁波共振方法，通过磁电耦合实现ELF电磁波发射，同时减少天线的尺寸。但是基于线性声波谐振来实现磁矩变化的策略，电磁波辐射强度和有效的通信距离仍然非常有限。另一种有效的方法是使用电磁马达驱动永磁体旋转，辐射强度更高的磁场信号。然而，电磁马达旋磁的效率随着直径的减小而急剧下降，特别是在毫米到厘米范围内，因为磁通密度的急剧下降，已很难适用于可穿戴式天线ELF磁信号的有效辐射。特别针对极端环境下ELF电磁波在可穿戴跨介质通信设备中应用仍面临着几个重大挑战：天线尺寸、辐射能力和效率（或能耗）。因此，发展极端环境下紧急通信的可穿戴设备，还依赖于寻找先进天线的创新设计，同时需要平衡小型化与辐射效率。
为了解决上述困惑，近年来，北京大学/深圳大学董蜀湘教授团队的研究人员，尝试设计了压电摆动谐振子、压电声波旋磁谐振子，通过大幅度摆动磁偶极子或者高速拨动磁偶极子旋转，促进ELF电磁波的更高效辐射。但是这两种方法均需要相对大的尺寸（> 10 cm线度）。
近日，北京大学董蜀湘教授团队、哈尔滨工程大学储昭强副教授课题组，联合报告了一种高频超声波驱动的磁偶极子旋转谐振器（UA-MDRR），为在海下与空中进行紧急救生通信提供了厘米尺度的移动式可穿戴通信设备，如下图1所示。该谐振器采用仅仅几个毫米尺度的多层压电陶瓷，使其工作于双弯曲振动耦合模式（作为超声谐振驱动器），通过摩擦耦合驱动厘米尺度的磁偶极子旋转振荡，高效发射全方向的ELF高强度电磁波。多层压电陶瓷的采用，不仅降低了驱动电压，还确保了设备小型化。该器件的单位体积产生的ELF磁场发射能力高达24,000 nT/cm3@1 m，比最先进的谐振器/天线高出一到两个数量级。它在空气中和水下100 m处发射的磁场强度分别可达2.64 pT和2.12 pT，而消耗的功率仅为0.61 W。提出的UA-MDRR天线成功演示了空气-海水界面的跨介质通信潜力。当佩戴于手腕时，该装置能有效发射“SOS”等国际摩尔斯电码救援信号。
进一步，通过水面上方（或地面）配置磁通门传感器或光泵传感器等高灵敏度磁传感器，还有望实现水下-水面上方千米级跨介质通信。紧凑的UA-MDRR设计，不仅使其适用于海水-空中通信，还可以实现地下-地上，以及其它复杂跨介质环境中所需要的紧急移动ELF通信穿戴设备、跨介质紧急通信和报警系统，具有广阔的应用前景。
图1可穿戴高频超声波驱动的磁偶极子旋转谐振器（UA-MDRR）。（a）电-机-磁耦合磁场发射机理与谐振器天线在跨介质通信应用场景，（b-e）压电多层致动器与制备过程、超声致动产生旋磁效应和ELF磁场辐射的工作机理。
总而言之，我们开发了一种可穿戴式移动极低频超声驱动磁偶极旋转谐振器（UA-MDRR）。该装置通过电-机-磁耦合的旋转磁偶极矩效应，实现极低频（ELF）电磁波或磁场信息发射。UA-MDRR采用基于多层压电陶瓷（体积仅0.11 cm3）的超声谐振器，通过旋转摆动运动模式与摩擦耦合驱动钕铁硼永磁盘（磁偶极矩集合体）旋转，从而实现极低频、可程控磁场辐射与跨介质通信。这项创新标志着极低频跨介质通信技术的开创性突破，为开发新一代移动可穿戴式水下/地下救援与信号设备开辟了新的发展方向。
该成果以“A Wearable, Ultrasonically-Actuated Magnetic-Dipole Rotating Resonator for Mobile Communication in Cross-medium Environment”为题，最近发表在《Nature Communications》期刊（2025），DOI：10.1038/s41467-025-59539-y。
该成果第一作者是武汉理工大学材料学院2021博士生成植，深圳大学机电学院2022级硕士生王向祎为共同第一作者。北京大学董蜀湘教授、哈尔滨工程大学储昭强副教授为该论文通讯作者，武汉理工大学周静教授为合作者。该研究工作获得了国家重点研发计划项目等项目的资助。
