导读

复旦大学智慧医疗超声团队研究团队研发出 “超声无线融合平台”，该平台基于超声全息技术，突破了此前多功能无线技术须依赖于复杂联合系统的限制，利用独立平台实现了多样化的无线操控技术，包括：（1）多目标三维无线供电；（2）远程无线传感；（3）移动目标动态可编程逻辑控制；（4）超声MIMO通信。该成果以“Converged wireless infrastructure with acoustic holographic array”为题发表在Applied Physics Reviews，并入选Featured Article。论文第一作者为博士生张传鑫和江雪副教授，通讯作者为江雪副教授和他得安教授。

背景

基于电磁波的无线技术正在快速发展，推动了物联网、智慧医疗等应用，极大丰富了人们的日常和科技生活。然而，有些应用场景中成熟的电磁波技术并非最佳选择，例如对电磁干扰十分敏感的精密仪器等设备中；另一方面，由于电磁波在液体中的衰减大，电磁波无线技术在水下物联网通信中难以发挥优势。此外，在对可植入器件进行供能或控制时，大功率电磁波在生物组织中的强衰减和热效应以及电磁波对高精密植入器件的电磁干扰，都可能引发安全性问题。

声波作为另一种波动形式，在日常和科技生活中同样扮演着重要角色。超声波是指频率大于20 kHz，人耳无法听到的声波。基于超声波的检测、成像、治疗技术具有无电离辐射、实时性强、成本低、使用方便等优势，已被广泛应用于工业无损检测和医学。研发基于超声波的无线供能和控制系统将继承上述优势，有望填补电磁波无线技术在相关领域的短板，为智能植入设备和水下物联网建设提供新思路。

研究亮点

研究使用超声全息相控阵作为发射器件，声全息技术赋能的超声相控阵起到了“集线器”的作用，各器件之间不再需要使用实体线缆连接，而是通过超声波构建无线虚拟通路。基于此通路可同时实现能量输送、逻辑控制、通信等功能，构建多功能的“超声无线融合平台”。

图1超声无线融合平台

超声无线融合平台可在三维空间中构建彼此独立的控制点，对不同位置的目标进行独立供能和控制，目标间可分辨精度为1厘米。研究中以独立开关控制7个LED为例进行展示（图2）。该平台不仅能实现定点的能量输送，还可以针对任意形状的器件进行能量输送，以满足不同应用场景下的需求。视频1中以对三维螺旋线状的LED灯带进行无线供能作为演示。

图2多目标三维无线供电

视频1对三维螺旋线状LED灯带供能

利用超声波精准且稳定的无线能量输送，可远程激活麦克风并记录清晰的语音信号，其保真度与理想情况下的性能基本一致。基于此技术可使麦克风等传感器摆脱线缆的束缚，为智慧家庭、智能传感网络的建设提供便利。

图3超声功能的远程无线监听

除了高精度无线能量输送，超声无线融合平台还支持无线可编程逻辑控制(PLC)，逻辑信号通过超声构建的虚拟通道进行传输，实现对后端设备的无线控制。逻辑信号可与能量输送共存，从而可实现对于完全无源设备的远程控制。不仅如此，超声无线融合平台还可实现对运动设备的追踪和实时无线逻辑控制。视频2中展示了完全由超声供能和控制的动态数码管。（更多视频可在原文补充材料中获取）

视频2运动中设备的逻辑控制

研究进一步借助超声无线融合平台实现了10通道空分复用的并行声通信功能。基于这种高密度的空分复用技术，可在已有通讯技术硬件条件下成倍地提高通信速率。

图4超声MIMO 10通道通信

总结和展望

在这项工作中，研究团队搭建了基于全息技术的超声无线融合平台，并完成了多样化无线操控功能的实验验证。该平台可用于物联网中无线传感器网络的建设，与电磁无线技术形成互补，在水下物联网、医学植入设备等应用中发挥优势。

原文：http://dx.doi.org/10.1063/5.0124759