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作者 林中行

超材料技术可以赋能全行业发展

从超材料的技术特征来看，它并不是为某个行业或某项需求而发明的技术，其应用面是非常广泛的，可以说几乎所有与实体物质生产相关的产业当遇到由于自然界材料性能有限的瓶颈时都可以尝试用超材料技术去解决。因此超材料是一个能为众多行业赋能的技术，有着巨大的应用空间。

下面说几例光启的超材料技术包括光启的极具创新的超材料端到端生产线所形成的独特的技术（即光启所说的七大能力平台）在民用领域已经做到的或者能够做到的案例。

1、飞行汽车和新能源汽车的天线OTA性能检测

超材料技术的精髓就是根据特定需求逆向推算满足这一需求的材料所应有的微结构，而超材料产品生产出来以后产品的性能是否达到预定的功能，需要做一系列复杂而又严格的电磁性能检测，光启据此打造了全国甚至全球最大的电磁性能检测中心。 光启的紧缩场设备数量和规模均位居全国首位，是国内第一套电磁测试领域专业大型综合体实验室，可对外提供服务的频率低至0.1GHz的低频远场天线测试系统；拥有亚洲最大、全球最先进多探头球面近场测试系统，待测目标尺寸可达8米；拥有多个超高精度散射特性测试紧缩场，频率范围最低0.3GHz。 2023年12月，光启与中汽研签署《汽车天线OTA性能紧缩场测试研究战略合作协议》，将合作建设行业首个适用于汽车整车天线OTA性能测试的紧缩场实验室，共同开展汽车整车天线OTA性能测试技术研究与标准验证试验，联合开展汽车整车天线OTA性能测试的对外检测委托业务。自动驾驶是智能汽车的最核心部分，作为决定汽车驾乘体验和智能化程度的基础，保证整车天线性能检测是智能网联汽车最基础最关键的测试项目，以往的天线测试基本都是采用近场的方式测试，没有基站和毫米波认证类测试的紧缩场方案。但是近场测试只能测试整车的通信发射能力，无法准确评估通信接收能力，因此不能实现管理整车最终状态的性能的目标。

自动驾驶技术还是飞行汽车能够普及的关键。相比地面道路交通，飞行汽车稳定可靠的通讯收发性能不仅是自动驾驶技术得以实现的基础，也关系到空中交通体系的运行安全，天线通讯能力也将成为飞行汽车最重要的基础硬件。天线OTA性能检测也必然成为飞行汽车行业的标配。 进一步来说，未来不论是在地面移动还是在天空飞行各种类型的智能体，都离不开天线OTA性能检测，市场犹如汪洋蓝海，目前仅是刚刚拉开序幕。

2、适合于低空经济的高强低价融合射频传感的功能性材料及功能结构

因为光启一直从事航空航天领域相关的项目，所以在低空经济上光启具备其他企业不可比拟的竞争优势。尤其是在服务尖端装备企业时，所拥有的国内领先的航空级复合材料机体功能结构研制生产与检测能力，以及在各类型航空飞行器上积累了十多年的射频综合设计、机体结构设计、结构强度仿真、电磁性能仿真以及试验测试能力等等，这些都是超材料航空结构的重要工业基础。

最重要的是，光启本身也非常擅长于材料的创新与制作。自然界没有的超材料是如此，制作超材料所需要的基材也是如此。最典型的案例是早年光启制作超材料产品需要稳定的高性能电磁材料作为基材，但当时国内的材料性能达不到要求，发达国家又对中国禁售，光启只能自己研发。从2016年元月开始，光启用了4年时间研发出了自己的高性能电磁材料，并以战国时战神“白起”给予命名。 在尖端装备体系的创建中，光启还自主研制并开发了双马\氰酸酯\环氧树脂体系的碳纤维\石英纤维预浸料以及芳纶纸蜂窝等满足极端使用条件的先进航空复合材料体系，连前段时间在市场上大热的PEEK材料光启都能自己生产，并且是光启各类高端材料谱系中最低级别的一类（见2024年4月8日光启对投资者的答复）。

光启生产的这些功能性材料已经应用于我国尖端装备上，经历了各种极其严峻的自然环境考验，还列入了我国尖端装备备选材料目录中，也就是说不但光启生产的尖端装装备部件可以采用自己的基材，其他尖端装备配套企业也可以向光启采购这些基材。 这些功能性材料具有极强的综合力学性能，比如说对位芳纶纸做成的蜂窝芯材，强度为同等质量钢铁的5倍，但密度仅为钢铁的五分之一，具有轻质、高强、高模、结构稳定性强且隔音、隔热、阻燃等优点，已应用于航空器的襟翼、副翼、垂尾前缘、方向舵、鸭翼、机身、桨叶、天线罩、雷达罩、壁板、舱门、地板等部件。至于高端碳纤维现在已广泛应用于航空器的外壳。 与其它企业不同的是，光启还采用超材料技术将各种射频传感功能完全融合于这些功能性材料中，并由此制成高强低价且具备传感功能且可以大幅提升飞行器的机体结构强度，不但降低了飞行器的重量和造价，而且还减少了维修费用和时间，提高飞行器整个生命周期的使用价值。 过去这些航空应用级别的功能结构的价格非常昂贵，只能用于高空飞行器，而且越是先进产品用的比例越大。但光启通过其特有的工艺技术大幅降低材料的生产成本后，功能结构的成本也相应大幅降低，因而具备更广泛的应用领域。

在装备领域有“一代材料，一代装备”之说！如今光启携高强低价且融合射频传感功能的功能性材料进入低空飞行器领域，会对各种载人飞机和无人机产生多大的颠覆性改变，相信不久大家就能看到！

3、人形机器人所需的智能皮肤 智能皮肤是一种模仿人类皮肤特性和功能的高科技材料，具有高度的柔韧性和可拉伸性，可以像真正的皮肤一样贴合在各种表面上。它能够感知和响应外部环境，如对外部环境的探测（远处物体的类型、距离、形状等）和接触感觉（如压力、温度、湿度等），并将这些信息转化为可读的信号传给控制系统。过去这类信息都是挂靠于人形机器人结构中的各类型的探测传感器和触觉传感器解决的，这既增加了人形机器人的承重量，在一些比较细部的地方还难以安装这些传感器。虽然有些企业开始研发镶嵌于机器人皮肤的柔性触觉传感器，但还未见成功案例。 光启的第4代超材料技术实现了用各种高分子功能性材料作为基材，这些功能性材料本身就可用于制作机器人皮肤的原材料，光启的超材料技术又可将各种对外的感知和响应功能完全融入这些功能性材料中，即可作为人形机器人的皮肤使用，又解决了人形机器人对外部感知功能的需求，还能降低机器人的制造成本。 4、提高航空器的有效载荷比 人类制造航空器的主要目的并不是将航空器本身送到预定的目的地，而是把航空器所搭载的人和物品送到目的地，这属于航空器的有效载荷。一般来说航空器的有效载荷占航空器起飞时的总重量的比例是比较低的，往往几吨的航空器的无效载荷才能换来一吨的有效载荷。因此在航空航天领域中有效载荷的成本是非常高的，往往几倍甚至几十倍高于航空器的成本。对于飞得更远飞得更快的航空器来说更是如此。资料显示，发射航天器用的火箭每减轻1千克，火箭成本就会降低100万美元。 过去，航空器所需的对电磁信号的识别、接收和发射功能，都是依赖于挂在航空器结构之外的各种探测器和接收器，相对于飞机的主体结构来说这是额外增加的无效载荷，用超材料技术可以将这些功能完全融入航空器的主体结构中，而且效果还更好。这就完全省缺了各类探测或者接收器，减轻了航天器的无效载荷，相应也提高了有效载荷。 随着时代的发展，各种空中飞行器会越来越多，超材料的应用场景也会越来越广泛。比如说现在正在大力发展的低空经济，空中巴士和无人机快递会越来越多，飞行器本身的重量控制和有效载荷将是最重要的指标，这正是超材料的用武之地。 5、设备的智能化 设备的智能化是未来发展的大趋势，但根据现有的技术，这些智能设备（如人形机器人、智能汽车等）的结构部分和智能器件是分离的，结构只起实体支撑作用，各类电子设备依附在结构件上。只有超材料技术可以让这些支撑结构还具有环境适应性、电学特性、热学特性，以及空间信息处理能力等功能，统称为智能结构。将这些功能完全融入设备的结构中是一个新的发展趋势。 这样至少有三个明显优势：一是减少智能设备的整体重量；二是使智能设备的可靠性大为提高，特别是在严峻的外部条件下；三是由于智能器件完全融合于结构中，器件的使用寿命也将大为延长。 6、卫星互联网时代的星地通讯手机天线 卫星互联网是一种利用卫星通信技术为用户提供互联网接入服务的方式，其工作原理是通过将地面基站的功能搬移到空中的卫星平台上，每颗卫星相当于一个移动基站，能够为全球范围内的用户提供高带宽、灵活便捷的互联网接入服务。手机直连卫星通讯是实现卫星互联网广泛应用的关键。在地卫通讯中对手机天线有两个特殊要求： （1）上行链路要求：高发射功率 在地卫通讯中，信号从手机到卫星的链路称为上行链路。由于卫星距离地面较远，当信号从地面传输到卫星时，会经历大气层的衰减导致信号强度下降。高发射功率可以补偿这种衰减，确保信号能够到达卫星，并保证信号的质量和稳定性。 （2）下行链路要求：高增益性 由于卫星位于地球表面较远的轨道上，卫星信号在传播过程中也会经历较大的衰减。高增益天线有更窄的波束宽度，能够更有效地收集和放大从卫星传来的微弱信号，从而保证通信的质量和可靠性。 也就是说星地通讯对手机的天线有特定的要求，主要是高发射功率和高增益性。这就是现在的卫星电话的手握部分大小与手机差不多，但却需要一根又粗又长的天线的原因。到了智能手机时代，由于对天线的尺寸有非常小的限制，用传统材料做的手机天线难以满足这两个要求。 华为的最新手机虽然具备卫星电话功能，但也仅仅是通话功能，远达不到互联网时代所需的大通量信息传递需求。即使这样，据说该手机的天线也使用了超材料技术。 用超材料制造的天线有非常强的聚焦性和增益性，容易做得比较小，这已经我国军工部门检测认可并在众多尖端装备上使用。可以说用超材料制作星地通讯所需的手机天线是解决问题的唯一途径。

（未完待续）

林 中 行 2024年4月21日 

$光启技术(002625)$