美国防高级研究计划局（DARPA）启动新的“地球自然地形生物成像原子磁力计”（AMBIIENT）项目，寻求通过加强对极微弱磁场的探测能力，开发可用于生物成像、磁导航等的传感器。

研发背景

人类的每次心脏跳动或大脑活动，都依赖于可在周围磁场生成微小波纹的电生理学电流。这些磁场变化成为一系列研究工具及脑磁描记法（MEG）、心磁图检查（MCG）等诊断技术的基础。然而，利用生物学的微弱磁场却离不开庞大、昂贵的设备，包括屏蔽周围磁力干扰的高科技屏蔽工具，以及使用液氦进行冷却的磁场传感器等。

项目目标及潜在应用

AMBIIENT项目将引领磁场感知进入一个新时代，使得能在常见环境下运行的低成本设备具备高敏磁传感能力。譬如，让脑磁描记法、心磁图检查以及各式各样其他磁场感知技术成为广泛应用现实。DARPA微系统技术办公室AMBIIENT项目经理罗伯特·卢瓦克称，高敏磁感知及成像技术将为临床诊断神经活动及心脏活动提供一种强有力的新型工具。卢瓦克还设想了一些特殊的磁场传感拓展应用，包括替代或补充GPS导航的磁导航。譬如，装备新型传感器的飞机在客机高度滑行时，可通过记录地球表面的自然变化与磁场变化，确定自身对地位置，误差在250米范围内。

面临障碍

生物磁场传感突破当前局限面临以下障碍：地球自身磁场强度一直是最大的障碍，其平均磁场强度是百万分之五十特斯拉，比人类身体磁场强大100万到10亿倍；除此之外，即使是当前最先进的磁场传感器——如基于超导量子干涉仪（SQUID）的磁场传感器，其动态范围也有限，意味着它们无法可靠反馈跨越多个数量级的磁场强度，生物磁场叠加于地球的磁力上就是这种情况。如果没有强大的屏蔽措施，即使使用现有最先进的传感器，微弱的生物磁信号也将淹没在强大的地球磁信号中。

卢瓦克表示，传统上，在周围环境中测量小磁场信号，需要使用分开一定基准距离的成对高性能传感器，然后测量两个传感器之间的小磁场强度差异。该梯度测量技术在地球物理测量及未爆弹药探测方面的应用效果良好，但是，鉴于这些传感器仅有有限的动态范围，加之背景信号的自然空间变化，这种方法距能探测到生物磁信号仍差几个数量级。

技术方案

AMBIIENT项目将于4月3日举行提案者日。项目寻求设计新型磁梯度仪，能在无论何种周围磁场环境的野外，探测到微微特斯拉及毫微微特斯拉磁信号，而无需采取屏蔽措施。为此，研究人员将需要探索新型原子物理学技术及体系架构，以直接测量极微小的磁场梯度，而不必比较从分开一定基准距离的两个传感器上采集到的绝对磁场强度差异。研究人员可能寻求的一个物理学方法是，在小激光束穿过原子气室时监控其极化变化及其他可测量特征，这些原子气室中的原子能以改变激光束的方式对毫微微特斯拉磁场做出反馈。因此，监控激光特征的改变，将为探测淹没于周围环境而无法测量的磁场提供一种新的实用方案，使得以下场景成为可能：战地医生使用一个类似魔法棒的传感器，即可从作战人员的大脑微妙磁场迹象中快速检测出其是否存在脑震荡或其他头部创伤。

来源：DARPA网站/图片来自互联网

中国国防科技信息中心  王璐菲

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