コンプライアント機構に対応した再構成可能なアンテナを研究者が開発 Researchers create compliant mechanism-enabled, reconfigurable antenna
2023-02-13 ペンシルベニア州立大学(PennState)
◆ペンシルベニア州立大学工学部の電気工学者は、これらの制限に対処するため、電磁石とコンプライアント・メカニズムを組み合わせ、バインダークリップや弓矢と同じ機械工学的概念を採用しました。彼らは、概念実証済みの再構成可能なコンプライアント・メカニズムを用いたパッチアンテナを、2月13日、Nature Communications誌に発表しました。
◆「コンプライアントメカニズムとは、従来の剛体機構がヒンジを必要とするのに対し、力を加えると運動するように材料そのものの要素を取り入れた工学設計です。コンプライアント機構を実現した物体は、一定方向に繰り返し曲がるように設計されており、過酷な環境にも耐えることができます。」と、同大学の電気工学・コンピュータサイエンス学部（EECS）の博士課程在籍で専任研究員でもあるGalestan Mackertich-Sengerdy氏は語ります。
◆コンプライアント・メカニズムを利用した設計は、日本の折り紙技術にちなんで名付けられた既存の折り紙設計技術に取って代わるもので、再構成可能ではあるものの、堅牢性、長期信頼性、大電力処理能力といった点で同じ利点はありません。
◆「折り紙アンテナ設計は、コンパクトに折りたたんで保管し、後でアプリケーションに展開できることで知られています」とMackertich-Sengerdy氏は述べています。「しかし、折り紙で折られた構造体が展開されると、反ったり曲がったりしないように、通常、複雑な補強構造が必要になります。もし慎重に設計しなければ、この種のデバイスは、現場での環境と運用寿命の制限を受けることになります。
◆研究チームは、市販の電磁波シミュレーションソフトウェアを使用して、円形のアイリス型パッチアンテナのプロトタイプを図示・設計しました。この無響室は、電磁波を吸収する素材で絶縁された部屋で、信号がアンテナ試験に干渉するのを防ぐことができます。
◆特定の周波数をターゲットにした試作品は、人間の手のひらよりわずかに大きい程度ですが、研究者によると、この技術は、より高い周波数のアプリケーション用に集積回路レベルまで拡大したり、より低い周波数のアプリケーション用にサイズを大きくしたりすることが可能だそうです。
＜関連情報＞
- https://www.psu.edu/news/engineering/story/mechanical-engineering-meets-electromagnetics-enable-future-technology/
- https://www.nature.com/articles/s41467-023-36143-6
再構成可能な電磁デバイスのためのテーラード・コンプライアント・メカニズムTailored compliant mechanisms for reconfigurable electromagnetic devices
Galestan Mackertich-Sengerdy,Sawyer D. Campbell & Douglas H. Werner
Nature Communications Published:13 February 2023
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-023-36143-6
Abstract
Reconfigurable electromagnetic devices, specifically reconfigurable antennas, have shown to be integral to the future of communication systems. However, mechanically robust designs that can survive real-world, harsh environment applications and high-power conditions remain rare to this day. In this paper, the general framework for a field of both discrete and continuously mechanically reconfigurable devices is established by combining compliant mechanisms with electromagnetics. To exemplify this new concept, a reconfigurable compliant mechanism antenna is demonstrated which exhibits continuously tunable performance across a broad band of frequencies. Moreover, three additional examples are also introduced that further showcase the versatility and advanced capabilities of compliant mechanism enabled electromagnetic devices. Unlike previous approaches, this is achieved with minimal part counts, additive manufacturing techniques, and high reliability, which mechanical compliant mechanism devices are known for. The results presented exemplify how compliant mechanisms have the capacity to transform the broader field of reconfigurable electromagnetic devices.
