プリンストンの研究室は「変圧ロボットのように」機能する新しいアンテナを設計した

高周波無線チップと組み合わせた洗練されたアンテナ アレイは、現代のエレクトロニクスにとってスーパーパワーのように機能し、センシングからセキュリティ、データ処理に至るまであらゆる機能を強化します。 プリンストン大学の研究室で、カウシク・セングプタ氏は、その権限をさらに拡大するために取り組んでいます。

近年、セングプタ氏の研究室は、エンジニアが物質を透視すること、高層ビルの谷間での通信を強化すること、スマートフォン上に医療研究所を設置すること、ソフトウェアの代わりに電磁波を使用して重要なデータを暗号化することへの進歩を支援するアンテナアレイを設計しました。

Advanced Science の新しい記事で、Sengupta の研究チームは、折り紙の折り技術に基づいた新しいタイプのアンテナ アレイを発表しました。 水爆弾と呼ばれる折り畳まれた紙箱のように設計された形状変化アレイにより、エンジニアは再構成可能で適応性のあるレーダー画像面を作成できます。 システムを構築するために、チームは新しいクラスのブロードバンド メタサーフェス アンテナを標準のフラット パネルに取り付けました。 次に、多数のアンテナ パネルを、オフセットチェッカーボード パターンで正確に設計された折り紙表面に接続しました。 パネルを適切に折りたたんだり展開したりすることにより、アレイは曲線、鞍、球などのさまざまな形状をとります。

このシフトおよび拡張機能により、システムはより広い解像度を提供し、標準のアンテナ アレイの能力を超えて複雑な 3 次元シーンをキャプチャする能力を備えています。 水爆弾アンテナは、慎重に調整された方法で電磁波を操作するために、その形状を変形させることもできます。 高度なアルゴリズムと組み合わせることで、ウォーターボム システムは広範囲の電磁場からの情報を効果的に処理できます。 この形状変化能力により、エンジニアはセンシングやイメージングに使用されるデバイスの機能を拡張できます。

「ほとんどのアプリケーションでは、設計が簡単でシンプルな平面システムが好まれます」と、電気工学およびコンピューター工学の准教授であるセングプタ氏は述べています。 「しかし、再構成可能なシステムを使用すると、コンピューターイメージングの能力を大幅に拡張できます。折り紙を使用すると、平面アレイの単純さと再構成可能なシステムの拡張された能力を組み合わせることができます。それは、動作中の変圧器ロボットのようなものです。」

セングプタ氏は、折り紙ベースのアレイは、自動運転車、ロボット、サイバー物理システムに必要なセンシング技術を大幅に向上させる可能性があると述べた。 個々のアンテナ システムが比較的シンプルであるということは、センシング アレイを軽量かつ低コストにできることも意味しており、製造や広範な展開が容易になります。

通常、エネルギーとコンピューティングの急速な発展が最も世間の注目を集めますが、セングプタ氏とプリンストン エンジニアリングの同僚は、これらのブレークスルーを可能にして社会に力を与える目に見えないワイヤレス ネットワークに焦点を当てています。

「ロボット工学、自動運転車、スマートシティ、スマートヘルスケアアプリケーション、人工現実、仮想現実など、出現しつつある非常に複雑なアプリケーションすべてについて考えてみてください」と同氏は述べた。 「これらすべては無線通信の網の中に存在します。」

これらのアプリケーションのいずれかがワイヤレス ネットワークの需要の大幅な増加を意味します。 これらは同時に、トラフィックを処理するように設計されたマイクロチップと、それらのチップによって送信される信号の両方の観点から、放送波を介してデータを移動する方法について根本的な再考を要求します。 簡単に言えば、信号にはるかに多くの情報を詰め込み、その情報を迅速、正確、安全に処理できるコンピューター システムを構築する必要があります。

ここ数年、セングプタの研究は両方の面で認められてきました。 2021 年に、彼は無線通信の主要な科学団体であるマイクロ波理論技術協会 (MTT-S) によって優秀な若手エンジニアに選ばれました。 昨年、彼はマイクロチップに関する研究で、世界最大の電気工学学会である電気電子学会（IEEE）からニューフロンティア賞を受賞した。

この賞は、チップ設計から信号処理に至るまで、統合マイクロシステム研究所のセングプタ氏の研究チームが採用した研究に対する幅広いアプローチを反映しています。 近年、彼のグループは、より高速かつ安全な伝送のために新しい周波数帯域に拡張する技術を実証し、科学および医療用途向けの新しいセンシング技術を開発し、アプリケーションの速度を低下させることなく高需要の伝送を確保する方法を生み出しました。

水爆弾折り紙を使った最新のプロジェクトでは、セングプタ氏の研究チームは、アンテナ アレイそのものから、複数のアレイを複雑なシステムに形状変更する方法に焦点を当てました。 再構成可能なシステムは、広範囲の周波数にわたるハイパースペクトル センシングを可能にするだけでなく、情報を表面トポロジーと融合します。 これは、さまざまな環境で動作しながら集中的な通信を必要とする車両やロボットにとって価値があることがわかります。 また、宇宙船やソーラーパネルなど、折り畳みや調整が必要な他の電子構造にとっても重要になる可能性があります。

「フラットパネルアンテナアレイの制約を取り除くことで、折り紙の原理と高周波エレクトロニクスおよび高度な信号処理を組み合わせて、多用途で高効率のイメージングおよびレーダーシステムを作成することができます」とセングプタ氏は述べた。

セングプタ氏は、研究チームの技術的アプローチはこれらのプロジェクトによって異なるが、最終的な目標は変化がワイヤレスの世界にもたらすであろう課題を解決することだと述べた。 それらの課題の 1 つは、新しいアプリケーションに必要なデータ レートです。 自動運転車の場合、ほとんどの焦点はナビゲーション テクノロジーや自動運転車に必要な処理能力にありますが、最大の課題の 1 つは、新しいテクノロジーをサポートするワイヤレス ネットワークの構築です。

「自動運転車による情報の氾濫について考えてみてください」と彼は言う。 1 台の車でも、複雑な道路網を移動するには膨大な量のデータが必要になります。 複数の車が高速道路を共有する場合、データの需要はさらに増加し​​ます。 「非常に高帯域幅の接続が必要なので、これまで使用したことのない周波数について考える必要があります。」

医療技術も同様に、リアルタイムの健康状態モニタリングや、遠隔地の医師と通信し、患者の状態に基づいて治療を調整する包帯などの新しいデバイスにより、大きな変化を迎える準備が整っています。

これらすべての開発では、最新のネットワークが提供できる以上の速度、大量のデータ配信、およびより強力なセキュリティが求められます。 セングプタ氏は、これらの問題を解決するには、新しいマイクロチップと信号の送信に使用される周波数の両方のレベルでの作業が必要になると述べた。

「私たちが追求するアプローチは学際的なものです」と彼は言いました。 「私たちのアプローチは、さまざまな分野のコンセプトを活用し、それらを統合して高性能システムを作成することです。」

「Origami Microwave Imaging Array: Metasurface Tiles on a Shape-Morphing Surface for Reconfigurable Computational Imaging」は、Advanced Science に 2022 年 10 月 5 日に掲載されました。 著者にはセングプタのほかに、ノースカロライナ州立大学のスレシュ・ヴェンハテシュなどがいる。 プリンストン大学の2019年度卒業生、ダニエル・スターム氏は現在ワシントン大学の大学院生。 ミシガン大学・上海交通大学共同研究所のXuyang Lu氏。 そしてLang OrigamiのRobert J. Lang氏。 このプロジェクトは、米国空軍科学研究局とモーメンタル財団によって部分的に支援されました。