新しいアンテナやマイクロチップにより、エレクトロニクスは科学とSFの境界線を曖昧にすることができる(New antennas and microchips help electronics blur the line between science and scifi)

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洗練されたアンテナアレイと高周波無線チップの組み合わせは、現代の電子機器にとって極めて重要で、センシングからセキュリティ、データ処理まで、あらゆる分野で力を発揮している。 Sophisticated antenna arrays paired with high-frequency wireless chips act like superpowers for modern electronics, boosting everything from sensing to security to data processing. In his lab at Princeton, Kaushik Sengupta is working to expand those powers even further.

2023-01-19 プリンストン大学

◆近年、セングプタの研究室では、アンテナアレイを設計し、エンジニアが物質を透視したり、高層ビルの峡谷で通信を強化したり、スマートフォンに医療ラボを搭載したり、ソフトウェアではなく電磁波で重要データを暗号化したりすることを可能にするために役立てています。
◆Advanced Science誌の新しい論文で、Sengupta氏の研究チームは、折り紙の技術を応用した新しいタイプのアンテナアレイを発表しました。水爆と呼ばれる折り紙の箱のように設計されたこの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することができるようになりました。このシステムを構築するために、研究チームは標準的なフラットパネルに新種の広帯域メタサーフェスアンテナを設置した。次に、多数のアンテナパネルを、オフセット市松模様の折り紙表面に精密にデザインして接続しました。パネルを適切に折りたたみ、展開することで、アレイは曲線、サドル、球体などさまざまな形状に変化します。
◆このように移動・拡大する能力を持つ折り紙システムは、より広い解像度を提供し、通常のアンテナアレイの能力を超えた複雑な3次元シーンを捉える能力を持っています。また、ウォーターボムアンテナは、その形状を変形させ、慎重に調整された方法で電磁波を操作することができます。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さまざまな電磁場からの情報を効果的に処理することができます。この変形能力により、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能力を拡大することができる。
◆セングプタの研究チームは、水爆折り紙に関する最新のプロジェクトで、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変形させる方法に焦点を当てました。この再構成可能なシステムは、広範囲の周波数にわたって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、その情報を表面形状と一緒に融合させることができます。これは、さまざまな環境で作業しながら集中的な通信を必要とする自動車やロボットにとって有用であることが証明されるでしょう。また、宇宙船やソーラーパネルなど、折り曲げや調整が必要な電子構造物でも重要な役割を果たすと考えられます。
◆論文「折り紙式マイクロ波画像化アレイ。Metasurface Tiles on a Shape-Morphing Surface for Reconfigurable Computational Imaging “は、2022年10月5日、Advanced Science誌に掲載されました。

<関連情報>

折り紙マイクロ波イメージングアレイ:形状変形する表面上のメタサーフェスタイルによる再構成可能なコンピューテーショナルイメージング Origami Microwave Imaging Array: Metasurface Tiles on a Shape-Morphing Surface for Reconfigurable Computational Imaging

Suresh Venkatesh , Daniel Sturm , Xuyang Lu , Robert J Lang , Kaushik Sengupta
Advanced Science  Published:2022 Oct;9
DOI: 10.1002/advs.202105016

Abstract

Origami is the art of paper folding that allows a single flat piece of paper to assume different 3D shapes depending on the fold patterns and the sequence of folding. Using the principles of origami along with computation imaging technique the authors demonstrate a versatile shape-morphing microwave imaging array with reconfigurable field-of-view and scene-adaptive imaging capability. Microwave/millimeter-wave based array imaging systems are expected to be the workhorse for sensory perception of future autonomous intelligent systems. The imaging capability of a planar array-based systems operating in complex scattering conditions have limited field-of-view and lack the ability to adaptively reconfigure resolution. To overcome this, here, deviations from planarity and isometry are allowed, and a shape-morphing computational imaging system is demonstrated. Implemented on a reconfigurable Waterbomb origami surface with 22 active metasurface panels that radiate near-orthogonal modes across 17-27 GHz, capability to image complex 3D objects in full details minimizing the effects of specular reflections in diffraction-limited sparse imaging with scene adaptability, reconfigurable cross-range resolution, and field-of-view is demonstrated. Such electromagnetic origami surfaces, through simultaneous surface shape-morphing ability (potentially with shape-shifting electronic materials) and electromagnetic field programmability, opens up new avenues for intelligent and robust sensing and imaging systems for a wide range of applications.

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