Budućnost bežične tehnologije — od uređaja za punjenje do pojačavanja komunikacionih signala — oslanja se na to da antene koje emituju elektromagnetne talase postaju sve raznovrsnije, izdržljivije i lake za proizvodnju. Istraživači sa Univerziteta Drekel i Univerziteta Britanske Kolumbije veruju da bi kirigami, drevna japanska umetnost rezanja i savijanja papira za kreiranje zamršenih trodimenzionalnih dizajna, mogla da pruži model za proizvodnju sledeće generacije antena.
Nedavno objavljeno u časopisu Nature Communications, istraživanje Drekel-UBC tima pokazalo je kako kirigami — varijacija origamija — može transformisati jedan list acetata obložen provodljivim MKSene mastilom u fleksibilnu 3D mikrotalasnu antenu čija se frekvencija prenosa može jednostavno podesiti pomoću povlačenjem ili stiskanjem da malo pomeri svoj oblik.
Dokaz koncepta je značajan, prema istraživačima, jer predstavlja novi način za brzu i ekonomičnu proizvodnju antene jednostavnim premazivanjem vodenog MKSene mastila na prozirni elastični polimerni materijal podloge.
„Da bi bežična tehnologija podržala napredak u oblastima kao što su meka robotika i vazduhoplovstvo, antene moraju biti dizajnirane za podesive performanse i sa lakoćom izrade“, rekao je dr Iuri Gogotsi, uvaženi univerzitet i profesor Bah na Drekel College of Engineering, i koautor istraživanja. „Kirigami je prirodni model za proizvodni proces, zbog jednostavnosti kojom se složeni 3D oblici mogu kreirati od jednog 2D komada materijala.“
Standardne mikrotalasne antene mogu se rekonfigurisati ili elektronski ili promenom njihovog fizičkog oblika. Međutim, dodavanje neophodnih kola za elektronsko upravljanje antenom može povećati njenu složenost, čineći antenu glomaznijom, ranjivijom na kvar i skupljom za proizvodnju.
Nasuprot tome, proces prikazan u ovom zajedničkom radu koristi promenu fizičkog oblika i može stvoriti antene u različitim zamršenim oblicima i oblicima. Ove antene su fleksibilne, lagane i izdržljive, što su ključni faktori za njihovu izdržljivost na pokretnoj robotici i vazduhoplovnim komponentama.
Da bi napravili test antene, istraživači su prvo premazali list acetata posebnim provodljivim mastilom, sastavljenim od titanijum karbida MKSene, da bi stvorili frekventno selektivne obrasce. MKSene mastilo je posebno korisno u ovoj aplikaciji jer mu njegov hemijski sastav omogućava da se čvrsto prianja za podlogu za izdržljivu antenu i može se podesiti da rekonfiguriše specifikacije prenosa antene.
MKSeni su porodica dvodimenzionalnih nanomaterijala koje su otkrili istraživači Drekela 2011. čija se fizička i elektrohemijska svojstva mogu prilagoditi blagom promenom njihovog hemijskog sastava. MKSeni su se široko koristili u poslednjoj deceniji za aplikacije koje zahtevaju materijale sa preciznim fizičko-hemijskim ponašanjem, kao što su elektromagnetna zaštita, biofiltracija i skladištenje energije.
Oni su takođe istraženi za telekomunikacijske aplikacije dugi niz godina zbog njihove efikasnosti u prenošenju radio talasa i njihove sposobnosti da se podese da selektivno blokiraju i dozvoljavaju prenos elektromagnetnih talasa.
Koristeći kirigami tehnike, prvobitno razvijene u Japanu u 4. i 5. veku nove ere, istraživači su napravili seriju paralelnih rezova na površini obloženoj MKSene-om. Povlačenjem ivica lista pokrenuo je niz rezonatorskih antena kvadratnog oblika da iskoči iz njegove dvodimenzionalne površine. Promena napetosti izazvala je pomeranje ugla niza – mogućnost koja bi se mogla primeniti da se brzo prilagodi komunikaciona konfiguracija antena.
Istraživači su sastavili dva kirigami antenska niza za testiranje. Takođe su kreirali prototip koplanarnog rezonatora – komponente koja se koristi u senzorima koja prirodno proizvodi talase određene frekvencije – da bi pokazali svestranost pristupa. Pored komunikacionih aplikacija, rezonatori i antene koje se mogu rekonfigurisati takođe bi se mogle koristiti za detekciju naprezanja, navodi tim.
„Frekventno selektivne površine, poput ovih antena, su periodične strukture koje selektivno prenose, reflektuju ili apsorbuju elektromagnetne talase na određenim frekvencijama“, rekao je Mohammad Zarifi, glavni istraživački predsednik, vanredni profesor na UBC, koji je pomogao u vođenju istraživanja.
„Imaju aktivne i/ili pasivne strukture i obično se koriste u aplikacijama kao što su antene, radare i reflektori za kontrolu pravca širenja talasa u bežičnoj komunikaciji na 5G i izvan platformi.
Kirigami antene su se pokazale efikasnim u prenošenju signala u tri najčešće korišćena mikrotalasna frekvencijska opsega: 2-4 GHz, 4-8 GHz i 8-12 GHz. Pored toga, tim je otkrio da pomeranje geometrije i pravca supstrata može preusmeriti talase iz svakog rezonatora.
Frekvencija koju proizvodi rezonator pomerila se za 400 MHz pošto je njegov oblik deformisan pod uslovima naprezanja — pokazujući da može efikasno da radi kao senzor naprezanja za praćenje stanja infrastrukture i zgrada.
Prema timu, ovi nalazi su prvi korak ka integraciji komponenti u relevantne strukture i bežične uređaje. Sa bezbroj kirigamija oblika kao inspiracijom, tim će sada nastojati da optimizuje performanse antena istražujući nove oblike, podloge i pokrete.
„Naš cilj je bio da istovremeno poboljšamo prilagodljivost performansi antene, kao i da kreiramo jednostavan proizvodni proces za nove mikrotalasne komponente ugradnjom svestranog MKSene nanomaterijala sa dizajnom inspirisanim kirigamijem“, rekao je dr Omid Niksan sa Univerziteta u Britanska Kolumbija, koji je bio autor rada. „Sledeća faza ovog istraživanja će istražiti nove materijale i geometrije za antene.“
