Un laboratorio de Princeton ha diseñado una nueva antena que funciona 'como un robot transformador'

Los conjuntos de antenas sofisticados combinados con chips inalámbricos de alta frecuencia actúan como superpoderes para la electrónica moderna, impulsando todo, desde la detección hasta la seguridad y el procesamiento de datos. En su laboratorio en Princeton, Kaushik Sengupta está trabajando para expandir aún más esos poderes.

En los últimos años, el laboratorio de Sengupta ha diseñado conjuntos de antenas que ayudan a los ingenieros a avanzar hacia la observación a través de la materia, impulsando las comunicaciones en cañones de rascacielos, colocando un laboratorio médico en un teléfono inteligente y cifrando datos críticos con ondas electromagnéticas en lugar de software.

En un nuevo artículo en Advanced Science, el equipo de investigación de Sengupta presentó un nuevo tipo de conjunto de antenas basado en el arte del origami para doblar papel. La matriz que cambia de forma, diseñada como una caja de papel doblada llamada bomba de agua, permite a los ingenieros crear una superficie de imagen de radar reconfigurable y adaptable. Para construir el sistema, el equipo instaló una nueva clase de antenas de metasuperficie de banda ancha en paneles planos estándar. Luego conectaron una serie de paneles de antena en una superficie de origami diseñada con precisión con un patrón de tablero de ajedrez desplazado. A través de la secuencia adecuada de plegar y desplegar los paneles, la matriz asume una variedad de formas diferentes, como curvas, monturas y esferas.

Con esta capacidad de cambiar y expandirse, el sistema ofrece una resolución más amplia y tiene la capacidad de capturar escenas tridimensionales complejas más allá de la capacidad de un conjunto de antenas estándar. La antena de la bomba de agua también puede cambiar su forma para manipular las ondas electromagnéticas de forma cuidadosamente calibrada. Combinado con algoritmos avanzados, el sistema de bomba de agua puede procesar información de una amplia gama de campos electromagnéticos. Esta capacidad de cambio de forma permite a los ingenieros ampliar las capacidades de los dispositivos utilizados para la detección y la obtención de imágenes.

"Para la mayoría de las aplicaciones, se prefieren los sistemas planos o planos porque son más simples y fáciles de diseñar", dijo Sengupta, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática. "Pero los sistemas reconfigurables nos permiten expandir sustancialmente nuestra capacidad en imágenes por computadora. Usando origami, podemos combinar la simplicidad de las matrices planas con la capacidad ampliada de los sistemas reconfigurables. Es como un robot transformador en acción".

Sengupta dijo que las matrices basadas en origami podrían mejorar enormemente la tecnología de detección necesaria para vehículos autónomos, robots y sistemas ciberfísicos. La relativa simplicidad de los sistemas de antenas individuales también significa que los conjuntos de detección pueden ser livianos y de bajo costo, lo que facilita su fabricación y despliegue a gran escala.

Si bien los rápidos desarrollos en energía y computación generalmente atraen la atención del público, Sengupta y sus colegas de Princeton Engineering se enfocan en las redes inalámbricas invisibles que permiten que estos avances empoderen a la sociedad.

"Puedes pensar en todas estas aplicaciones realmente complejas que están surgiendo: robótica, automóviles autónomos, ciudades inteligentes, aplicaciones de atención médica inteligente, realidad artificial, realidad virtual", dijo. "Todas estas cosas están sentadas en esa red de comunicaciones inalámbricas".

Cualquiera de estas aplicaciones representaría un gran aumento en la demanda de redes inalámbricas. Juntos, exigen un replanteamiento fundamental de cómo movemos los datos a través de las ondas de radio, tanto en términos de los microchips diseñados para manejar el tráfico como de las señales transmitidas por esos chips. En resumen, necesitamos empaquetar mucha más información en señales y construir sistemas informáticos que puedan procesar la información de forma rápida, precisa y segura.

En los últimos años, la investigación de Sengupta ha sido reconocida en ambos frentes. En 2021, fue nombrado Joven Ingeniero Sobresaliente por la Sociedad de Teoría y Técnicas de Microondas (MTT-S), una sociedad científica líder en comunicaciones inalámbricas. El año pasado, recibió el premio New Frontier por su trabajo en microchips del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), la sociedad de ingeniería eléctrica más grande del mundo.

Desde el diseño de chips hasta el procesamiento de señales, los premios reflejan el amplio enfoque de la investigación adoptado por el equipo de investigación de Sengupta en el Laboratorio de Investigación de Microsistemas Integrados. En los últimos años, su grupo ha demostrado tecnología para expandirse a nuevas bandas de frecuencia para transmisiones más rápidas y seguras, ha desarrollado nueva tecnología de detección para aplicaciones científicas y médicas y ha producido métodos para asegurar transmisiones de alta demanda sin ralentizar las aplicaciones.

En el proyecto más reciente, que involucró origami de bombas de agua, el equipo de investigación de Sengupta cambió su enfoque de los conjuntos de antenas a métodos de cambio de forma de múltiples conjuntos en sistemas complejos. El sistema reconfigurable no solo permite la detección hiperespectral en una amplia gama de frecuencias, sino que fusiona la información con la topología de la superficie. Esto podría resultar valioso para vehículos y robots que requieren comunicaciones intensivas mientras trabajan en una variedad de entornos. También podría resultar importante para otras estructuras electrónicas que requieren plegarse y ajustarse, como naves espaciales y paneles solares.

"Al eliminar las limitaciones de los conjuntos de antenas de panel plano, podemos combinar los principios del origami con la electrónica de alta frecuencia y el procesamiento avanzado de señales para crear sistemas de imágenes y radares versátiles y altamente eficientes", dijo Sengupta.

Sengupta dijo que el enfoque tecnológico de su equipo de investigación varía entre estos proyectos, pero el objetivo final es resolver los desafíos que traerán los cambios al mundo inalámbrico. Uno de esos desafíos son las velocidades de datos que requerirán las nuevas aplicaciones. Tomemos como ejemplo los automóviles autónomos: la mayor parte del enfoque está en la tecnología de navegación o la potencia de procesamiento que requerirá un vehículo autónomo, pero uno de los mayores desafíos es crear una red inalámbrica para respaldar la nueva tecnología.

"Piense en el diluvio de información de un automóvil autónomo", dijo. Incluso un solo automóvil requerirá una gran cantidad de datos para navegar por un complejo sistema de carreteras. Para varios automóviles que comparten una carretera, la demanda de datos aumentará aún más. "Necesita conexiones de ancho de banda muy alto, por lo que debe pensar en frecuencias que no hemos usado antes".

La tecnología médica está preparada de manera similar para un cambio masivo, con monitoreo de salud en tiempo real y nuevos dispositivos como vendajes que se comunican con médicos remotos y ajustan el tratamiento según la condición del paciente.

Todos estos desarrollos exigirán más velocidad, mayores cantidades de entrega de datos y una seguridad más estricta de lo que las redes modernas son capaces de ofrecer. Sengupta dijo que resolver esos problemas requerirá trabajo tanto a nivel de nuevos microchips como de frecuencias utilizadas para transmitir señales.

"Los enfoques que perseguimos son multidisciplinarios", dijo. "Nuestro enfoque es aprovechar conceptos de diferentes campos y fusionarlos para crear sistemas de alto rendimiento".

"Origami Microwave Imaging Array: Metasurface Tiles on a Shape-Morphing Surface for Reconfigurable Computational Imaging", se publicó el 5 de octubre de 2022 en Advanced Science. Además de Sengupta, los autores incluyen a Suresh Venhatesh de la Universidad Estatal de Carolina del Norte; Daniel Sturm de la clase de la Universidad de Princeton de 2019, ahora estudiante de posgrado en la Universidad de Washington; Xuyang Lu del Instituto Conjunto de la Universidad de Michigan-Shanghai Jiao Rong University; y Robert J. Lang de Lang Origami. El proyecto fue apoyado en parte por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de los EE. UU. y la Fundación Momental.