Ein Labor in Princeton hat eine neue Antenne entwickelt, die „wie ein Transformatorroboter“ funktioniert.

Hochentwickelte Antennenarrays gepaart mit drahtlosen Hochfrequenzchips wirken wie Superkräfte für die moderne Elektronik und verbessern alles von der Sensorik über die Sicherheit bis hin zur Datenverarbeitung. In seinem Labor in Princeton arbeitet Kaushik Sengupta daran, diese Kräfte noch weiter auszubauen.

In den letzten Jahren hat Senguptas Labor Antennenarrays entwickelt, die Ingenieuren dabei helfen, Fortschritte bei der Durchsicht von Materie zu machen, die Kommunikation in Wolkenkratzerschluchten zu verbessern, ein medizinisches Labor auf ein Smartphone zu übertragen und kritische Daten mit elektromagnetischen Wellen statt mit Software zu verschlüsseln.

In einem neuen Artikel in Advanced Science stellte das Forschungsteam von Sengupta eine neue Art von Antennenarray vor, die auf der Papierfaltkunst des Origami basiert. Das formverändernde Array, das wie eine gefaltete Papierschachtel namens Wasserbombe gestaltet ist, ermöglicht es Ingenieuren, eine rekonfigurierbare und anpassbare Radarbildoberfläche zu erstellen. Um das System aufzubauen, installierte das Team eine neue Klasse von Breitband-Metaoberflächenantennen auf Standard-Flachbildschirmen. Anschließend fügten sie mehrere Antennenfelder zu einer präzise gestalteten Origami-Oberfläche mit versetztem Schachbrettmuster zusammen. Durch die richtige Reihenfolge beim Falten und Entfalten der Paneele nimmt die Anordnung eine Vielzahl unterschiedlicher Formen wie Kurven, Sättel und Kugeln an.

Mit dieser Fähigkeit zur Verschiebung und Erweiterung bietet das System eine größere Auflösung und ist in der Lage, komplexe dreidimensionale Szenen zu erfassen, die über die Möglichkeiten eines Standardantennenarrays hinausgehen. Die Wasserbombenantenne kann auch ihre Form verändern, um elektromagnetische Wellen auf sorgfältig kalibrierte Weise zu manipulieren. In Kombination mit fortschrittlichen Algorithmen kann das Wasserbombensystem Informationen aus einem breiten Spektrum elektromagnetischer Felder effektiv verarbeiten. Diese Formwandlungsfähigkeit ermöglicht es Ingenieuren, die Fähigkeiten von Geräten zur Erfassung und Bildgebung zu erweitern.

„Für die meisten Anwendungen werden planare oder flache Systeme bevorzugt, weil sie einfacher und einfacher zu entwerfen sind“, sagte Sengupta, außerordentlicher Professor für Elektro- und Computertechnik. „Aber rekonfigurierbare Systeme ermöglichen es uns, unsere Fähigkeiten in der Computerbildgebung erheblich zu erweitern. Mithilfe von Origami können wir die Einfachheit planarer Arrays mit der erweiterten Fähigkeit rekonfigurierbarer Systeme kombinieren. Es ist wie ein Transformatorroboter in Aktion.“

Sengupta sagte, Origami-basierte Arrays könnten die für autonome Fahrzeuge, Roboter und cyberphysikalische Systeme benötigte Sensortechnologie erheblich verbessern. Die relative Einfachheit der einzelnen Antennensysteme bedeutet auch, dass die Sensorarrays leicht und kostengünstig sein können, was ihre Herstellung und den Einsatz in großem Maßstab erleichtert.

Während rasante Entwicklungen im Energie- und Computerbereich normalerweise die größte öffentliche Aufmerksamkeit auf sich ziehen, konzentrieren sich Sengupta und seine Kollegen von Princeton Engineering auf die unsichtbaren drahtlosen Netzwerke, die es diesen Durchbrüchen ermöglichen, die Gesellschaft zu stärken.

„Sie können an all diese wirklich komplexen Anwendungen denken, die entstehen – Robotik, selbstfahrende Autos, intelligente Städte, intelligente Gesundheitsanwendungen, künstliche Realität, virtuelle Realität“, sagte er. „All diese Dinge sitzen in diesem Netz der drahtlosen Kommunikation.“

Jede dieser Anwendungen würde einen erheblichen Anstieg der Nachfrage nach drahtlosen Netzwerken bedeuten. Zusammen erfordern sie ein grundlegendes Umdenken bei der Art und Weise, wie wir Daten über Funk übertragen, sowohl im Hinblick auf die Mikrochips, die den Datenverkehr abwickeln, als auch auf die von diesen Chips übertragenen Signale. Kurz gesagt: Wir müssen viel mehr Informationen in Signale packen und Computersysteme aufbauen, die die Informationen schnell, genau und sicher verarbeiten können.

In den letzten Jahren wurde Senguptas Forschung an beiden Fronten anerkannt. Im Jahr 2021 wurde er von der Microwave Theory and Techniques Society (MTT-S), einer führenden wissenschaftlichen Gesellschaft für drahtlose Kommunikation, zum herausragenden jungen Ingenieur ernannt. Im vergangenen Jahr erhielt er für seine Arbeit zu Mikrochips den New Frontier Award des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), der weltweit größten Gesellschaft für Elektrotechnik.

Vom Chipdesign bis zur Signalverarbeitung spiegeln die Auszeichnungen den breiten Forschungsansatz des Sengupta-Forschungsteams am Integrated Micro-Systems Research Lab wider. In den letzten Jahren hat seine Gruppe Technologien zur Erweiterung in neue Frequenzbänder für schnellere und sicherere Übertragungen demonstriert, neue Sensortechnologien für wissenschaftliche und medizinische Anwendungen entwickelt und Methoden zur Sicherung stark beanspruchter Übertragungen entwickelt, ohne Anwendungen zu verlangsamen.

Im jüngsten Projekt, bei dem es um Wasserbomben-Origami ging, verlagerte das Forschungsteam von Sengupta seinen Fokus von den Antennenarrays selbst auf Methoden zur Formänderung mehrerer Arrays in komplexe Systeme. Das rekonfigurierbare System ermöglicht nicht nur eine hyperspektrale Erfassung über einen weiten Frequenzbereich, es verschmilzt die Informationen auch mit der Oberflächentopologie. Dies könnte sich für Fahrzeuge und Roboter als wertvoll erweisen, die beim Arbeiten in verschiedenen Umgebungen eine intensive Kommunikation erfordern. Es könnte sich auch für andere elektronische Strukturen als wichtig erweisen, die Faltung und Abstimmung erfordern, wie etwa Raumfahrzeuge und Solarpaneele.

„Indem wir die Einschränkungen von Flachantennenarrays beseitigen, können wir Origami-Prinzipien mit Hochfrequenzelektronik und fortschrittlicher Signalverarbeitung kombinieren, um vielseitige, hocheffiziente Bildgebungs- und Radarsysteme zu schaffen“, sagte Sengupta.

Sengupta sagte, dass der technologische Ansatz seines Forschungsteams bei diesen Projekten unterschiedlich sei, aber das ultimative Ziel bestehe darin, die Herausforderungen zu lösen, die Veränderungen für die drahtlose Welt mit sich bringen werden. Eine dieser Herausforderungen sind die Datenraten, die die neuen Anwendungen erfordern werden. Nehmen Sie selbstfahrende Autos: Der Schwerpunkt liegt hauptsächlich auf der Navigationstechnologie oder der Rechenleistung, die ein autonomes Fahrzeug benötigen wird, aber eine der größten Herausforderungen besteht darin, ein drahtloses Netzwerk zur Unterstützung der neuen Technologie zu schaffen.

„Denken Sie an die Informationsflut eines selbstfahrenden Autos“, sagte er. Selbst ein einzelnes Auto benötigt eine große Datenmenge, um sich in einem komplexen Straßensystem zurechtzufinden. Wenn sich mehrere Autos eine Autobahn teilen, wird der Datenbedarf noch weiter steigen. „Sie benötigen Verbindungen mit sehr hoher Bandbreite, also müssen Sie über Frequenzen nachdenken, die wir bisher nicht genutzt haben.“

Auch die Medizintechnik steht vor einem gewaltigen Wandel, mit Echtzeit-Gesundheitsüberwachung und neuen Geräten wie Bandagen, die mit entfernten Ärzten kommunizieren und die Behandlung an den Zustand des Patienten anpassen.

All diese Entwicklungen erfordern mehr Geschwindigkeit, größere Datenmengen und strengere Sicherheit, als moderne Netzwerke bieten können. Sengupta sagte, dass die Lösung dieser Probleme Arbeiten sowohl auf der Ebene neuer Mikrochips als auch auf der Ebene der zur Signalübertragung verwendeten Frequenzen erfordern werde.

„Die Ansätze, die wir verfolgen, sind multidisziplinär“, sagte er. „Unser Ansatz ist es, Konzepte aus unterschiedlichen Bereichen zu nutzen und zu leistungsstarken Systemen zusammenzuführen.“

„Origami Microwave Imaging Array: Metasurface Tiles on a Shape-Morphing Surface for Reconfigurable Computational Imaging“, wurde am 5. Oktober 2022 in Advanced Science veröffentlicht. Zu den Autoren gehören neben Sengupta Suresh Venhatesh von der North Carolina State University; Daniel Sturm vom Jahrgang 2019 der Princeton University, jetzt Doktorand an der University of Washington; Xuyang Lu vom Joint Institute der University of Michigan-Shanghai Jiao Rong University; und Robert J. Lang von Lang Origami. Das Projekt wurde teilweise vom US Air Force Office of Scientific Research und der Momental Foundation unterstützt.