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

日本科學家開發的一種基于宇宙射線高能粒子的導航系統日前成功完成地下測試，這在全球尚屬首次。未來，這項技術有望用來引導地下或水下機器人，甚至為倒塌礦井或建筑物的搜救工作提供幫助。相關研究結果近日發表于《交叉科學》。

宇宙射線撞擊地球大氣層產生的粒子被稱為μ介子，它在全球范圍內持續下落，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（GPS）是一種成熟的導航工具，被廣泛應用于從航空旅行到實時地圖的眾多領域。然而，它也存在一些局限性。GPS信號在高緯度地區較弱，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內部等方面展現出的重要作用，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，它們都會以相同的速度行進，甚至可以穿透數公里的巖石。“現在，我們已經通過μ介子開發出一種新型GPS，并稱之為微測量定位系統（muPS），可以在地下、室內和水下工作。”

MuPS最初是為了幫助探測由海底火山或構造運動引起的海底變化。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。這種技術的早期版本要求接收器通過電線連接到地面站，機動性受到極大限制。

這項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。這種新系統被稱為微測量無線導航系統（MuWNS）。

為了測試MuWNS的導航能力，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。雖然沒有實時導航，但測量結果可以用來計算他們的路線，并確認他們所走的路徑。

“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GPS定位效果一樣，甚至更好。但它仍然遠未達到實用水平，人們需要1米的精度，而實現這一目標的關鍵是時間同步。”Tanaka說。

改進這一系統以實現實時、精確的導航取決于時間和資金。理想情況下，該團隊希望使用芯片級原子鐘（CSAC）。

“CSAC已經商業化，比我們目前使用的石英鐘精度高兩個數量級。然而，它太貴了，我們現在無法使用。”但Tanaka預計，隨著全球對CSAC手機需求的增加，它們會變得更便宜。

未來，MuWNS有可能會被用于引導水下機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在都可以小型化，因此該團隊希望最終能將其安裝到手持設備中，如手機。此外，在建筑物或礦井發生坍塌事故后，相關設備也會給搜救工作帶來極大幫助。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.isci.2023.107000

（原標題為《宇宙射線首次實現地下導航，有望為水下機器人和搜救工作提供幫助》）