Korisnik može rastegnuti, saviti ili stisnuti antenu kako bi napravio reverzibilne promjene u njezinim svojstvima zračenja, omogućujući uređaju rad u širem frekvencijskom rasponu bez potrebe za složenim, pokretnim dijelovima. S podesivim frekvencijskim rasponom, rekonfigurabilna antena mogla bi se prilagoditi promjenjivim uvjetima okoline i smanjiti potrebu za više antena.

Za izradu meta antene MIT-ovi inženjeri radili su s metamaterijalima čija mehanička svojstva, poput krutosti i čvrstoće, ovise o geometrijskom rasporedu komponenti materijala.

Rezultat je pojednostavljeni dizajn rekonfigurabilne antene koja bi se mogla koristiti za primjene poput prijenosa energije u nosivim uređajima, praćenja i senzora pokreta za proširenu stvarnost ili bežične komunikacije putem širokog raspona mrežnih protokola.

Osim toga, istraživači su razvili alat za uređivanje kako bi korisnici mogli generirati prilagođene metamaterijalne antene, koje se mogu izraditi pomoću laserskog rezača.

„Obično, kada razmišljamo o antenama, mislimo na statičke antene - one su izrađene tako da imaju specifična svojstva i to je to. Međutim, korištenjem auksetičkih metamaterijala, koji se mogu deformirati u tri različita geometrijska stanja, možemo besprijekorno mijenjati svojstva antene promjenom njezine geometrije, bez izrade nove strukture. Osim toga, možemo koristiti promjene u radiofrekvencijskim svojstvima antene, zbog promjena u geometriji metamaterijala, kao novu metodu detekcije za dizajn interakcije“, kaže glavna autorica antene Marwa AlAlawi, studentica strojarstva na MIT-u.

Među njezinim suautoricama su Regina Zheng i Katherine Yan, obje studentice preddiplomskog studija na MIT-u; Ticha Sethapakdi, diplomska studentica elektrotehnike i računarstva na MIT-u; Soo Yeon Ahn s Instituta za znanost i tehnologiju Gwangju u Koreji; te ko-vodeći autori Junyi Zhu, docentica na Sveučilištu u Michiganu; i Stefanie Mueller, izvanredna profesorica za razvoj karijere TIBCO-a na MIT-ovim odjelima za elektrotehniku i računarstvo te strojarstvo i voditeljica Grupe za interakciju čovjeka i računala u Laboratoriju za računarstvo i umjetnu inteligenciju. 

Tehnologija antene

Dok tradicionalne antene zrače i primaju radio signale, u ovom radu istraživači su proučavali kako uređaji mogu djelovati kao senzori. Cilj tima bio je razviti mehanički element koji se također može koristiti kao antena za očitavanje.

Da bi to postigli, iskoristili su "rezonantnu frekvenciju" antene, što je frekvencija na kojoj je antena najučinkovitija.

Rezonantna frekvencija antene će se mijenjati zbog promjena u njenom obliku. Istraživači mogu snimiti te promjene za detekciju. Na primjer, rekonfigurabilna antena mogla bi se koristiti na taj način za otkrivanje širenja prsnog koša osobe, za praćenje njenog disanja.

Za dizajn svestrane rekonfigurabilne antene, istraživači su koristili metamaterijale. Ti inženjerski materijali, koji se mogu programirati da poprime različite oblike, sastavljeni su od periodičnog rasporeda jediničnih ćelija koje se mogu rotirati, komprimirati, rastezati ili savijati.

Deformiranjem strukture metamaterijala može se pomaknuti rezonantna frekvencija antene.

„Kako bismo izazvali promjene u rezonantnoj frekvenciji, moramo ili promijeniti efektivnu duljinu antene ili u nju uvesti proreze i rupe. Metamaterijali nam omogućuju da dobijemo ta različita stanja iz samo jedne strukture“, kaže AlAlawi.

Uređaj, nazvan meta-antena, sastoji se od dielektričnog sloja materijala smještenog između dva vodljiva sloja.

Kako bi izradili meta-antenu, istraživači su laserskim rezačem izrezali dielektrični laser iz gumene folije. Zatim su na vrh dielektričnog sloja dodali dio pomoću vodljive boje u spreju, stvarajući rezonantnu "depilacijsku antenu".

Ali otkrili su da čak ni najfleksibilniji vodljivi materijal ne bi mogao izdržati količinu deformacije koju bi antena doživjela.

„Mnogo smo pokušavali i pogriješili kako bismo utvrdili da, ako strukturu premažemo fleksibilnom akrilnom bojom, to štiti šarke kako se ne bi prerano slomile“, objašnjava AlAlawi.

Sredstvo za kreatore

Nakon što je problem izrade riješen, istraživači su izgradili alat koji korisnicima omogućuje dizajniranje i proizvodnju metamaterijalnih antena za specifične primjene.

Korisnik može definirati veličinu antenskog dijela, odabrati debljinu dielektričnog sloja i postaviti omjer duljine i širine jediničnih ćelija metamaterijala. Zatim sustav automatski simulira rezonantni frekvencijski raspon antene.

„Ljepota metamaterijala je u tome što, budući da je riječ o međusobno povezanom sustavu veza, geometrijska struktura nam omogućuje smanjenje složenosti mehaničkog sustava“, kaže AlAlawi.

Koristeći alat za dizajn, istraživači su ugradili meta-antene u nekoliko pametnih uređaja, uključujući zavjesu koja dinamički prilagođava rasvjetu kućanstva i slušalice koje se neprimjetno prebacuju između načina rada s poništavanjem buke i prozirnog načina rada.

Kod pametnih slušalica, na primjer, kada se meta-antena širi i savija, ona pomiče rezonantnu frekvenciju za 2,6 posto, što prebacuje način rada slušalica. Eksperimenti tima također su pokazali da su strukture meta-antene dovoljno izdržljive da izdrže više od 10.000 kompresija.

Budući da se antenski flaster može utisnuti na bilo koju površinu, mogao bi se koristiti sa složenijim strukturama. Na primjer, antena bi se mogla ugraditi u pametne tekstile koji obavljaju neinvazivno biomedicinsko očitavanje ili praćenje temperature.

U budućnosti, istraživači žele dizajnirati trodimenzionalne meta-antene za širi raspon primjena. Također žele dodati više funkcija alatu za dizajn, poboljšati trajnost i fleksibilnost strukture metamaterijala, eksperimentirati s različitim simetričnim uzorcima metamaterijala i pojednostaviti neke korake ručne izrade.