Los investigadores del MIT han desarrollado una antena reconfigurable que ajusta dinámicamente su rango de frecuencia cambiando su forma física, haciéndola más versátil para las comunicaciones y la detección que las antenas estáticas.

El usuario puede estirar, doblar o comprimir la antena para modificar sus propiedades de radiación, lo que permite que el dispositivo funcione en un rango de frecuencia más amplio sin necesidad de piezas móviles complejas. Con un rango de frecuencia ajustable, una antena reconfigurable podría adaptarse a las condiciones ambientales cambiantes y reducir la necesidad de varias antenas.

La palabra "antena" puede evocar varillas de metal como las "orejas de conejo" de los viejos televisores, pero el equipo del MIT trabajó con metamateriales: materiales diseñados cuyas propiedades mecánicas, como la rigidez y la resistencia, dependen de la disposición geométrica de los componentes del material.

El resultado es un diseño simplificado para una antena reconfigurable que podría usarse para aplicaciones como transferencia de energía en dispositivos portátiles, seguimiento y detección de movimiento para realidad aumentada o comunicación inalámbrica a través de una amplia gama de protocolos de red.

Además, los investigadores desarrollaron una herramienta de edición para que los usuarios puedan generar antenas de metamateriales personalizadas, que pueden fabricarse utilizando un cortador láser.

Normalmente, cuando pensamos en antenas, pensamos en antenas estáticas: se fabrican con propiedades específicas y punto. Sin embargo, al usar metamateriales auxéticos, que pueden deformarse en tres estados geométricos diferentes, podemos modificar las propiedades de la antena sin problemas modificando su geometría, sin necesidad de fabricar una nueva estructura. Además, podemos utilizar los cambios en las propiedades de radiofrecuencia de la antena, debidos a cambios en la geometría del metamaterial, como un nuevo método de detección para el diseño de interacciones, afirma la autora principal, Marwa AlAlawi, estudiante de posgrado en ingeniería mecánica del MIT.

Entre sus coautores se encuentran Regina Zheng y Katherine Yan, ambas estudiantes de grado del MIT; Ticha Sethapakdi, estudiante de posgrado del MIT en ingeniería eléctrica e informática; Soo Yeon Ahn, del Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju (Corea); y los coautores principales Junyi Zhu, profesor adjunto de la Universidad de Michigan; y Stefanie Mueller, profesora asociada de Desarrollo Profesional TIBCO en los departamentos de Ingeniería Eléctrica, Informática e Ingeniería Mecánica del MIT y líder del Grupo de Interacción Persona-Ordenador del Laboratorio de Informática e Inteligencia Artificial. La investigación se presentará en el Simposio ACM sobre Software y Tecnología de Interfaz de Usuario.

Entendiendo las antenas

Mientras que las antenas tradicionales emiten y reciben señales de radio, en este trabajo, los investigadores analizaron cómo estos dispositivos pueden actuar como sensores. El objetivo del equipo era desarrollar un elemento mecánico que también pudiera utilizarse como antena para la detección.

Para ello, aprovecharon la “frecuencia de resonancia” de la antena, que es la frecuencia en la que la antena es más eficiente.

La frecuencia de resonancia de una antena se desplazará debido a cambios en su forma. (Piense en extender la "oreja de conejo" izquierda para reducir la estática del televisor). Los investigadores pueden capturar estos cambios para su detección. Por ejemplo, una antena reconfigurable podría utilizarse de esta manera para detectar la expansión del pecho de una persona y monitorizar su respiración.

Para diseñar una antena versátil y reconfigurable, los investigadores utilizaron metamateriales. Estos materiales de ingeniería, programables para adoptar diferentes formas, están compuestos por una disposición periódica de celdas unitarias que pueden rotarse, comprimirse, estirarse o doblarse.

Al deformar la estructura metamaterial, se puede cambiar la frecuencia de resonancia de la antena.

Para provocar cambios en la frecuencia de resonancia, necesitamos modificar la longitud efectiva de la antena o introducirle ranuras y agujeros. Los metamateriales nos permiten obtener esos diferentes estados a partir de una sola estructura, afirma AlAlawi.

El dispositivo, denominado metaantena, está compuesto por una capa de material dieléctrico intercalada entre dos capas conductoras.

Para fabricar una metaantena, los investigadores cortaron el láser dieléctrico de una lámina de goma con una cortadora láser. Luego, añadieron un parche sobre la capa dieléctrica con pintura conductora en aerosol, creando una "antena de parche" resonante.

Pero descubrieron que incluso el material conductor más flexible no podría soportar la cantidad de deformación que experimentaría la antena.

“Hicimos mucho ensayo y error para determinar que, si cubrimos la estructura con pintura acrílica flexible, protegemos las bisagras para que no se rompan prematuramente”, explica AlAlawi.

Un medio para los creadores

Una vez resuelto el problema de fabricación, los investigadores construyeron una herramienta que permite a los usuarios diseñar y producir antenas de metamateriales para aplicaciones específicas.

El usuario puede definir el tamaño del parche de antena, elegir el grosor de la capa dieléctrica y establecer la relación longitud-anchura de las celdas unitarias del metamaterial. A continuación, el sistema simula automáticamente el rango de frecuencia de resonancia de la antena.

“La belleza de los metamateriales es que, debido a que es un sistema interconectado de enlaces, la estructura geométrica nos permite reducir la complejidad de un sistema mecánico”, dice AlAlawi.

Utilizando la herramienta de diseño, los investigadores incorporaron metaantenas en varios dispositivos inteligentes, incluida una cortina que ajusta dinámicamente la iluminación del hogar y auriculares que cambian sin problemas entre los modos de cancelación de ruido y transparente.

En los auriculares inteligentes, por ejemplo, cuando la metaantena se expande y se dobla, la frecuencia de resonancia se modifica en un 2,6 %, lo que cambia el modo de los auriculares. Los experimentos del equipo también demostraron que las estructuras de metaantena son lo suficientemente resistentes como para soportar más de 10 000 compresiones.

Dado que el parche de antena se puede adaptar a cualquier superficie, podría utilizarse con estructuras más complejas. Por ejemplo, podría incorporarse en textiles inteligentes que realizan detección biomédica no invasiva o monitorización de temperatura.

En el futuro, los investigadores buscan diseñar metaantenas tridimensionales para una gama más amplia de aplicaciones. También buscan añadir más funciones a la herramienta de diseño, mejorar la durabilidad y flexibilidad de la estructura del metamaterial, experimentar con diferentes patrones simétricos de metamateriales y optimizar algunos pasos de fabricación manual.

Esta investigación fue financiada, en parte, por la Beca Internacional del Príncipe Heredero de Bahréin y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju.

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