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随着海洋勘探的蓬勃发展，水下设备和技术的提升越来越受到人们的关注！其中，水下无线通信一直是认知海洋与开发海洋的“卡脖子”技术。当前的水下通信是通过不同的物理场来实现的，如声场、光场、电磁场。因为声波不像电磁波和光波那样容易被水吸收，水声通信成为水下通信中应用最广泛的一种通信方式。然而，水声通信伴随着相当大的传输延迟，同时传输受到温度、压力和盐度的影响。更重要的是，障碍物产生的回声和回响会使声学通讯在某些环境下(如密闭空间、狭窄的管道、隧道和洞穴)无法进行。水下光通信可以实现大容量数据传输，但存在吸收、散射、光束发散和环境光中断等问题。与声波和光波相比，电磁波不受噪声和湍流的影响。水下位移电流通信通常具有传输速率高、时延低的特点。高频电磁波大部分会被水吸收，而低频电磁波可以通过几公里长的天线传播。综上所述，复杂且有限的水下空间对传统的水下通信技术构成了相当大的挑战，故亟待发展新的水下通信原理与技术。
近日，大连海事大学徐敏义教授团队联合中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、北京大学谢广明教授、清华大学丁文伯教授等合作提出了一种基于摩擦纳米发电机（TENG）的复杂水域自供能水下无线电场通信新方法。相关工作以题为“Underwater Wireless Communication via TENG-Generated Maxwell’s Displacement Current”的研究性文章在国际顶尖学术期刊《自然•通讯》（《Nature Communications》）上发表。
在本研究中，大连海事大学轮机工程学院硕士毕业生/清华-伯克利深圳学院博士生赵洪发、清华大学深圳国际研究生院硕士生舒明瑞为论文共同第一作者，徐敏义教授、谢广明教授、王中林院士为共同通讯作者。此研究获得科技部重大研发计划纳米前沿专项、国家自然科学基金等项目资助。徐敏义教授团队牵头成立的大连市海洋微纳能源与自驱动系统重点实验室，立足海洋技术前沿，将力学、材料、信息等多学科交叉融合，开展了海洋自驱动系统机电转换、信号处理、电场利用、系统集成四方面的基础理论研究及设备研制，为海洋资源开发、海洋环境勘探、海洋污染治理等提供新型解决方案。
图文导读
- 论文首次将TENG技术应用于水下无线通信，创新性地实现了复杂水域自供能水下无线信号传输。研究团队从麦克斯韦位移电流的角度深入分析了水下电场信号的传输机理，搭建了水下无线通信实验系统并进行了大量实验。实验结果表明水下电场信号基本不受盐度、浊度和水下障碍物的干扰，即使通过100米长的螺旋水管其波形也不会失真。
图1 基于摩擦纳米发电机的水下无线通信原理（a）实验过程示意图；（b）工作原理示意图；摩擦纳米发电机产生的（c）原始短路电流信号和（d）水下无线传输接收到的电流信号。
- 进一步，研究团队通过调制和解调由TENG产生的电流信号，将文本和图像在实验水池中进行了水下无线传输，成功率接近100%。此外，利用按钮式TENG成功实现了无线控制水下照明系统，并且在开阔水域中实现了水下电场信号远距离传输与检测。
图2 水下无线通信验证实验（a）语音无线控制水下灯光原理图；（b）接收到的“red”和“green”信号；（c）对“red” 和 “green”信号进行短时傅里叶变换；（d）语音控制实验装置图；按钮式TENG水下无线控制系统（e）原理图和（f）实验图；开阔水域水下电场信号传输与检测（e）原理图、（g）实物图和水下接收到的电场信号。
- 这种基于TENG的水下电场通信新方法具有信号稳定、不受障碍物影响、自供能等优势，在水下救助打捞、钻井管道监测、水下目标监测、水下人机协同和水下机器人集群等领域有潜在的应用前景。
图3 基于TENG的水下电场通信应用示意图。
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