由宇宙射线产生并散落在地球上的μ介子。图片来源：Hiroyuki K.M. Tanaka/东京大学

日本科学家开发的一种基于宇宙射线高能粒子的导航系统日前成功完成地下测试，这在全球尚属首次。未来，这项技术有望用来引导地下或水下机器人，甚至为倒塌矿井或建筑物的搜救工作提供帮助。相关研究结果近日发表于《交叉科学》。

宇宙射线撞击地球大气层产生的粒子被称为μ介子，它在全球范围内持续下落，每分钟每平方米大约有1万个，且无法被更改。

目前使用的全球定位系统（GPS）是一种成熟的导航工具，被广泛应用于从航空旅行到实时地图的众多领域。然而，它也存在一些局限性。GPS信号在高纬度地区较弱，可能会被干扰或伪造；此外，GPS信号会被墙壁等表面反射，无法穿过建筑物、岩石或水体。

相比之下，近年来，由于在透视火山、金字塔以及观察飓风内部等方面展现出的重要作用，μ介子一直保持着较高的研究热度。

日本东京大学教授Hiroyuki Tanaka解释说，μ介子能均匀落在地球上，无论穿过什么物质，它们都会以相同的速度行进，甚至可以穿透数公里的岩石。“现在，我们已经通过μ介子开发出一种新型GPS，并称之为微测量定位系统（muPS），可以在地下、室内和水下工作。”

MuPS最初是为了帮助探测由海底火山或构造运动引起的海底变化。它使用4个地上μ介子探测参考站为地下μ介子探测接收器提供坐标。这种技术的早期版本要求接收器通过电线连接到地面站，机动性受到极大限制。

这项最新研究使用高精度石英钟同步地面站和接收器，参考站提供的4个参数加上用于测量μ介子“飞行时间”的同步时钟可以确定接收器的坐标。这种新系统被称为微测量无线导航系统（MuWNS）。

为了测试MuWNS的导航能力，参考探测器被放置在一栋建筑的第六层，研究人员则拿着接收器前往地下室，并在地下室的走廊里走来走去。虽然没有实时导航，但测量结果可以用来计算他们的路线，并确认他们所走的路径。

“目前MuWNS的精度在两米到25米之间，范围可达100米，具体取决于人所处的深度和行走的速度。这与城市地面的单点GPS定位效果一样，甚至更好。但它仍然远未达到实用水平，人们需要1米的精度，而实现这一目标的关键是时间同步。”Tanaka说。

改进这一系统以实现实时、精确的导航取决于时间和资金。理想情况下，该团队希望使用芯片级原子钟（CSAC）。

“CSAC已经商业化，比我们目前使用的石英钟精度高两个数量级。然而，它太贵了，我们现在无法使用。”但Tanaka预计，随着全球对CSAC手机需求的增加，它们会变得更便宜。

未来，MuWNS有可能会被用于引导水下机器人或地下自动驾驶车辆。除原子钟外，MuWNS的所有其他电子组件现在都可以小型化，因此该团队希望最终能将其安装到手持设备中，如手机。此外，在建筑物或矿井发生坍塌事故后，相关设备也会给搜救工作带来极大帮助。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.isci.2023.107000

（原标题为《宇宙射线首次实现地下导航，有望为水下机器人和搜救工作提供帮助》）

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