（图片 1 说明：超材料天线（亮面网格状材料）可集成到窗帘中，实现家庭照明的动态调节。图中展示了该天线原型的收缩状态（左上）、展开状态（下），以及与锁定机构的组合（右上）。）

图片来源：由研究人员提供

（图片 2 说明：人体模型头部上方放置着展开和收缩状态的耳机原型。）

图片说明：在智能耳机原型中，当超材料天线展开并弯曲时，其谐振频率会偏移 2.6%，进而实现耳机模式的切换。

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（图片 3 说明：超材料天线收缩与展开形成的三种对称图案示例。）

图片说明：利用超材料天线可构建多种对称图案。

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麻省理工学院（MIT）的研究人员研发出一种可重构天线，它能通过改变自身物理形态动态调整频率范围。相较于固定形态的天线，这种天线在通信和传感应用中具备更强的通用性。

用户可通过拉伸、弯曲或挤压该天线，对其辐射特性进行可逆调整，使设备无需复杂移动部件就能在更宽的频率范围内工作。凭借可调节的频率范围，可重构天线能适应不断变化的环境条件，减少对多根天线的需求。

提到 “天线”，人们可能会想到金属杆，比如老式电视机顶部的 “兔耳” 天线。但 MIT 团队此次采用的并非传统金属，而是超材料—— 这类人工设计的材料，其刚度、强度等力学特性由材料组件的几何排列方式决定。

最终研发出的可重构天线设计更为简洁，可应用于多种场景，例如可穿戴设备的能量传输、增强现实（AR）的运动追踪与传感，以及跨多种网络协议的无线通信。

此外，研究人员还开发了一款编辑工具，用户可借助该工具生成定制化超材料天线，并通过激光切割机完成制造。

“通常提到天线，我们想到的都是固定形态的 —— 制造时就设定了特定性能，之后无法改变。但通过使用可变形为三种不同几何状态的负泊松比超材料，我们无需制造新结构，只需改变天线的几何形态，就能无缝调整其性能。而且，超材料几何形态变化会导致天线射频特性改变，我们还可将这种变化作为交互设计中的新型传感方法。” 该研究的第一作者、MIT 机械工程专业研究生玛娃・阿拉拉维（Marwa AlAlawi）表示。

该研究的其他作者包括：MIT 本科生莉贾娜・郑（Regina Zheng）和凯瑟琳・严（Katherine Yan）、MIT 电气与计算机科学专业研究生蒂查・塞萨帕迪（Ticha Sethapakdi）、韩国光州科学技术院的安秀妍（Soo Yeon Ahn），以及共同资深作者 —— 密歇根大学助理教授朱君毅（Junyi Zhu）、MIT 电气与计算机科学系及机械工程系 TIBCO 职业发展副教授斯特凡妮・穆勒（Stefanie Mueller）（她同时担任 MIT 计算机科学与人工智能实验室人机交互小组负责人）。该研究成果将在 ACM 用户界面软件与技术研讨会上展示。

解读天线的多元价值

传统天线的功能是辐射和接收无线电信号，而在这项研究中，团队探索了天线作为传感器的潜力。他们的目标是研发一种兼具机械功能与传感天线功能的元件。

为实现这一目标，研究人员利用了天线的 “谐振频率”—— 即天线工作效率最高的频率。

天线的谐振频率会随其形态变化而偏移（就像拉伸 “兔耳” 天线的左侧来减少电视雪花噪点一样）。研究人员可捕捉这种频率偏移并将其用于传感。例如，可重构天线能通过这种方式检测人体胸部的起伏，实现呼吸监测。

为设计出通用性强的可重构天线，研究人员选用了超材料。这类人工材料可通过编程呈现不同形态，由周期性排列的 “单元结构” 组成，这些单元可旋转、压缩、拉伸或弯曲。

通过改变超材料的结构形态，即可实现天线谐振频率的偏移。

“要让谐振频率发生变化，我们要么需要改变天线的有效长度，要么需要在天线上开设缝隙或孔洞。而超材料能让单一结构实现多种不同状态。” 阿拉拉维解释道。

这款被命名为 “超材料天线”（meta-antenna）的设备，由一层介电材料和两侧的导电层构成。

在制造过程中，研究人员先用激光切割机在橡胶板上切割出介电材料层，再用导电喷漆在介电层表面制作出 “贴片”，形成可谐振的 “贴片天线”。

但他们发现，即便是柔韧性最强的导电材料，也无法承受天线所需的形变程度。

“我们经过多次尝试后发现，若在结构表面涂上柔性丙烯酸涂料，就能保护天线的铰链结构，避免其过早断裂。” 阿拉拉维解释道。

为创作者提供便捷工具

解决了制造难题后，研究人员开发了一款工具，方便用户为特定应用场景设计和制作超材料天线。

用户可自定义天线贴片的尺寸、介电层的厚度，以及超材料单元结构的长宽比，系统会自动模拟出天线的谐振频率范围。

“超材料的优势在于，它是由相互连接的连杆构成的系统，其几何结构能帮助我们降低机械系统的复杂性。” 阿拉拉维说。

研究人员借助这款设计工具，将超材料天线集成到多款智能设备中，例如可动态调节家庭照明的窗帘，以及能无缝在降噪模式与通透模式间切换的耳机。

以智能耳机为例：当超材料天线展开并弯曲时，其谐振频率会偏移 2.6%，从而触发耳机模式切换。团队的实验还显示，超材料天线结构的耐用性极强，可承受超过 1 万次压缩操作。

由于天线贴片可在任意表面形成图案，因此它也适用于更复杂的结构。例如，可将其集成到智能纺织品中，实现无创生物医学传感或温度监测。

未来，研究人员计划研发三维超材料天线，以拓展其应用范围。他们还将为设计工具增加更多功能，提升超材料结构的耐用性与柔韧性，尝试不同的对称超材料图案，并简化部分人工制造步骤。

本研究的部分资金支持来自巴林王储国际奖学金项目与韩国光州科学技术院。