- 新型微型旋轉盤在無電源情況下可持續旋轉超過十小時。
- 抗磁懸浮技術使轉子在零能耗下懸浮，減少能量損失。
- 該轉子的能量耗散率創下毫米級機械轉子最低紀錄。
- 穩定的轉子能達到現有慣性導航硬件的商業標準靈敏度。
在新加坡，研究人員成功地使一個微型旋轉盤在關閉驅動電源後，持續旋轉超過十小時。這一持續時間標誌著其尺寸所紀錄的最低能量損失，為未來在 GPS 信號消失時提供新的導航方法。新加坡 A*STAR 量子創新中心的科學家們建造了這個毫米級的轉子，這是他們推進精密感測技術的一部分。研究結果已發表於《自然通訊》期刊。
該轉子利用抗磁懸浮技術懸浮於永久磁鐵之上，這一技術不需要持續供電以保持懸浮。與帶有固定極的磁鐵不同，抗磁材料對任何磁場都有微弱的抵抗力，從而使其在零能耗的情況下懸浮。這種懸浮技術已存在多年，但一直存在一個固有的缺陷。當轉子穿過磁場時，會產生渦電流，這些微小的電流環會消耗旋轉能量並減慢轉動速度。研究人員一直在努力減少大型轉子中能量損失，以便其實際應用。
抗磁懸浮技術的突破
A*STAR 團隊的解決方案依賴於旋轉對稱性。由於轉子在整個旋轉過程中幾乎每一點所經歷的磁場相同，通常會消耗其能量的渦電流會被大幅抑制。這一效果十分顯著。該轉子的旋轉運動能量損失的速度大約是其側向或上下運動的 100,000 倍更慢。這種不平衡使團隊測量到 3.85 微赫茲的能量耗散率，這是毫米級機械轉子有史以來最低的紀錄。
研究人員利用靜電力和實時反饋控制，將轉子加速至每分鐘 930 轉。在高真空環境中關閉驅動電源後，轉子在自身慣性的作用下持續旋轉超過十小時，最終才開始減速。首席研究員陳賢豐表示，實現如此低的能量損失在更大型的轉子中一直是一個未解的權衡問題。他指出，新設計克服了這一限制，為在更大型機械繫統中進行精密感測和量子研究開闢了道路。
轉子靈敏度與應用
這種持續的旋轉直接轉化為陀螺儀性能。穩定的轉子能夠檢測到每秒 0.0065 度的旋轉，這一靈敏度已經達到現有慣性導航硬件的商業標準。團隊的模型預測，在進一步改進後，該平台最終可能達到導航級靈敏度。這一級別的精確度足以應用於自主水下航行器等在 GPS 無法覆蓋的區域進行操作。
A*STAR 首席量子科學家林炳鎏表示，這一成就結合了四項在單一系統中難得具備的能力，包括毫米級的被動懸浮、室温運行、高轉速及創紀錄的低旋轉能量損失。林炳鎏將此結果歸功於 A*STAR 及新加坡更廣泛的量子研究生態系統在控制系統、懸浮物理、精密工程和感測方面的專業知識。團隊的下一步計劃包括加速轉子的旋轉速度以及改善其長期穩定性。他們還計劃縮小支撐硬件的尺寸，以便最終能夠嵌入一個經濟實惠的商業化導航感測器中。
新型導航方案的潛力與挑戰
這項研究顯示出新型微型旋轉盤在導航技術上的潛力，尤其是在 GPS 信號無法覆蓋的區域。透過抗磁懸浮技術，轉子能在無需持續供電的情況下運行，這對於提高導航系統的可用性和可靠性至關重要。雖然目前的成果已達到商業標準，但未來的挑戰在於如何進一步提升轉子的穩定性和縮小其尺寸，以便實現商業化應用。