Хуанью «Ларри» Ченг, Дороти Квиггл, доцент по развитию карьеры, доцент инженерных наук и механики инженерного колледжа штата Пенсильвания, и две международные группы исследователей разрабатывают устройства для изучения возможностей носимых гибких антенн. В апреле они опубликовали две статьи в журналах Nano-Micro Letters и Materials & Design.
Носимая антенна изгибается, растягивается, сжимается без ущерба для функции
Как и переносные датчики, переносной передатчик должен быть безопасным для использования на коже человека, работать при комнатной температуре и выдерживать скручивание, сжатие и растяжение.
Однако гибкость передатчика представляет собой уникальную проблему: когда антенны сжимаются или растягиваются, их резонансная частота (RF) изменяется, и они передают радиосигналы на длинах волн, которые могут не совпадать с длинами волн предполагаемых приемников антенны.
"Изменение геометрии антенны изменит ее характеристики", – сказал Ченг. "Мы хотели создать геометрическую структуру, которая допускала бы движение, не изменяя при этом частоту передачи."
Исследовательская группа создала гибкий передатчик послойно. Основываясь на предыдущих исследованиях, они изготовили медную сетку с рисунком перекрывающихся волнистых линий. Эта сетка составляет нижний слой, который касается кожи, и верхний слой, который служит излучающим элементом в антенне. Верхний слой создает двойную дугу при сжатии и растягивается при растяжении – и перемещается между этими этапами в упорядоченном наборе шагов.
По словам Ченга, структурированный процесс, посредством которого антенная сетка изгибается, сглаживается и растягивается, улучшает общую гибкость слоя и снижает радиочастотные колебания между состояниями антенны.
Энергоэффективность была еще одним приоритетом. Нижний слой сетки препятствует взаимодействию радиосигналов с кожей.
Эта реализация, помимо предотвращения повреждения ткани, позволяет избежать потери энергии, вызванной ухудшением сигнала тканью. По словам Ченга, способность антенны поддерживать стабильную радиочастоту также позволяет передатчику собирать энергию из радиоволн, что потенциально снижает потребление энергии из внешних источников.
Ченг сказал, что передатчик, который может отправлять беспроводные данные на расстоянии почти 300 футов, может легко интегрировать несколько компьютерных микросхем или датчиков.
При дальнейших исследованиях он может найти применение в мониторинге здоровья и клиническом лечении, а также в производстве и хранении энергии.
«Мы продемонстрировали надежную беспроводную связь в растягиваемом передатчике», – сказал Ченг. "Насколько нам известно, это первая носимая антенна, которая демонстрирует почти полностью неизменную резонансную частоту в относительно большом диапазоне растяжения."
Возможность дальнейшей настройки антенны с постоянными переменными
После разработки прототипа растягиваемой антенны Ченг проанализировал его с другой исследовательской группой.
Исследователи стремились определить новые фундаментальные пути для тонкой настройки такого устройства, которое можно было бы применить в аналогичных будущих исследованиях.
«Мы хотели исследовать проблему, исследуя связь между механическими свойствами и электромагнитным поведением», – сказал Ченг. "Выделение этой взаимосвязи может дать представление о влиянии различных параметров на характеристики антенны."
Команда изготовила антенну со слоями и сеткой, аналогичную их предыдущему прототипу, но без двойной дуги сжатия. Они измерили деформацию антенны при растяжении сетки с разными интервалами, а затем использовали компьютерное моделирование, чтобы изучить взаимосвязь между деформацией и характеристиками антенны.
Чтобы упростить анализ передачи радиосигнала антенны, исследователи использовали математический метод для преобразования определенных измерений, таких как ширина и угол повторяющейся сетки, в постоянные значения. С помощью этого процесса, называемого нормализацией, исследователи могут сосредоточиться на взаимосвязи между конкретными переменными, отрицая влияние нормализованных переменных.
Команда обнаружила, что нормализация различных переменных предоставляет несколько возможностей для настройки характеристик антенны.
Они также обнаружили, что смоделированная геометрия сетки может давать разные результаты, даже с одним и тем же набором нормализованных переменных.
Хотя исследователи проанализировали свойства носимых антенн, Ченг подчеркнул, что их методы могут быть применены к другим радиочастотным устройствам.
«Мы показали, что вы не должны ограничиваться изучением эффектов одной нормализованной переменной», – сказал Ченг. "Используя этот метод, мы можем адаптировать свойства для других антенн или устройств, которые обмениваются данными с помощью микроволн."
Взгляд в будущее
Ченг и его сотрудники продолжат поиск способов облегчения разработки этих устройств посредством прикладных исследований, а также дальнейших фундаментальных исследований для оптимизации процесса проектирования.
«Мы очень рады, что это исследование может однажды привести к созданию сетей датчиков и передатчиков, которые будут носить на теле, и все они будут взаимодействовать друг с другом и с внешними устройствами», – сказал Ченг. "То, что мы представляем, в настоящее время является научной фантастикой, но мы работаем, чтобы воплотить это в реальность."