由宇宙射線產(chǎn)生并散落在地球上的μ介子。圖片來源：Hiroyuki K.M. Tanaka/東京大學(xué)

日本科學(xué)家開發(fā)的一種基于宇宙射線高能粒子的導(dǎo)航系統(tǒng)日前成功完成地下測試，這在全球尚屬首次。未來，這項(xiàng)技術(shù)有望用來引導(dǎo)地下或水下機(jī)器人，甚至為倒塌礦井或建筑物的搜救工作提供幫助。相關(guān)研究結(jié)果近日發(fā)表于《交叉科學(xué)》。

宇宙射線撞擊地球大氣層產(chǎn)生的粒子被稱為μ介子，它在全球范圍內(nèi)持續(xù)下落，每分鐘每平方米大約有1萬個，且無法被更改。

目前使用的全球定位系統(tǒng)（GPS）是一種成熟的導(dǎo)航工具，被廣泛應(yīng)用于從航空旅行到實(shí)時地圖的眾多領(lǐng)域。然而，它也存在一些局限性。GPS信號在高緯度地區(qū)較弱，可能會被干擾或偽造；此外，GPS信號會被墻壁等表面反射，無法穿過建筑物、巖石或水體。

相比之下，近年來，由于在透視火山、金字塔以及觀察颶風(fēng)內(nèi)部等方面展現(xiàn)出的重要作用，μ介子一直保持著較高的研究熱度。

日本東京大學(xué)教授Hiroyuki Tanaka解釋說，μ介子能均勻落在地球上，無論穿過什么物質(zhì)，它們都會以相同的速度行進(jìn)，甚至可以穿透數(shù)公里的巖石。“現(xiàn)在，我們已經(jīng)通過μ介子開發(fā)出一種新型GPS，并稱之為微測量定位系統(tǒng)（muPS），可以在地下、室內(nèi)和水下工作。”

MuPS最初是為了幫助探測由海底火山或構(gòu)造運(yùn)動引起的海底變化。它使用4個地上μ介子探測參考站為地下μ介子探測接收器提供坐標(biāo)。這種技術(shù)的早期版本要求接收器通過電線連接到地面站，機(jī)動性受到極大限制。

這項(xiàng)最新研究使用高精度石英鐘同步地面站和接收器，參考站提供的4個參數(shù)加上用于測量μ介子“飛行時間”的同步時鐘可以確定接收器的坐標(biāo)。這種新系統(tǒng)被稱為微測量無線導(dǎo)航系統(tǒng)（MuWNS）。

為了測試MuWNS的導(dǎo)航能力，參考探測器被放置在一棟建筑的第六層，研究人員則拿著接收器前往地下室，并在地下室的走廊里走來走去。雖然沒有實(shí)時導(dǎo)航，但測量結(jié)果可以用來計(jì)算他們的路線，并確認(rèn)他們所走的路徑。

“目前MuWNS的精度在兩米到25米之間，范圍可達(dá)100米，具體取決于人所處的深度和行走的速度。這與城市地面的單點(diǎn)GPS定位效果一樣，甚至更好。但它仍然遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)用水平，人們需要1米的精度，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵是時間同步。”Tanaka說。

改進(jìn)這一系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)實(shí)時、精確的導(dǎo)航取決于時間和資金。理想情況下，該團(tuán)隊(duì)希望使用芯片級原子鐘（CSAC）。

“CSAC已經(jīng)商業(yè)化，比我們目前使用的石英鐘精度高兩個數(shù)量級。然而，它太貴了，我們現(xiàn)在無法使用。”但Tanaka預(yù)計(jì)，隨著全球?qū)SAC手機(jī)需求的增加，它們會變得更便宜。

未來，MuWNS有可能會被用于引導(dǎo)水下機(jī)器人或地下自動駕駛車輛。除原子鐘外，MuWNS的所有其他電子組件現(xiàn)在都可以小型化，因此該團(tuán)隊(duì)希望最終能將其安裝到手持設(shè)備中，如手機(jī)。此外，在建筑物或礦井發(fā)生坍塌事故后，相關(guān)設(shè)備也會給搜救工作帶來極大幫助。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.isci.2023.107000

（原標(biāo)題為《宇宙射線首次實(shí)現(xiàn)地下導(dǎo)航，有望為水下機(jī)器人和搜救工作提供幫助》）