Un laboratoire de Princeton a conçu une nouvelle antenne qui fonctionne "comme un robot transformateur"

Des réseaux d'antennes sophistiqués associés à des puces sans fil haute fréquence agissent comme des superpuissances pour l'électronique moderne, renforçant tout, de la détection à la sécurité en passant par le traitement des données. Dans son laboratoire de Princeton, Kaushik Sengupta travaille à étendre encore plus ces pouvoirs.

Ces dernières années, le laboratoire de Sengupta a conçu des réseaux d'antennes qui aident les ingénieurs à progresser vers l'observation de la matière, à stimuler les communications dans les canyons des gratte-ciel, à installer un laboratoire médical sur un smartphone et à chiffrer les données critiques avec des ondes électromagnétiques au lieu de logiciels.

Dans un nouvel article paru dans Advanced Science, l'équipe de recherche de Sengupta a présenté un nouveau type de réseau d'antennes basé sur l'art du pliage de papier de l'origami. Le réseau à changement de forme, conçu comme une boîte en papier pliée appelée bombe à eau, permet aux ingénieurs de créer une surface d'imagerie radar reconfigurable et adaptable. Pour construire le système, l'équipe a installé une nouvelle classe d'antennes métasurface à large bande sur des panneaux plats standard. Ensuite, ils ont connecté un certain nombre de panneaux d'antenne dans une surface origami conçue avec précision avec un motif en damier décalé. Grâce à une séquence appropriée de pliage et de dépliage des panneaux, le réseau prend une variété de formes différentes telles que des courbes, des selles et des sphères.

Grâce à cette capacité de déplacement et d'expansion, le système offre une résolution plus large et a la capacité de capturer des scènes tridimensionnelles complexes au-delà de la capacité d'un réseau d'antennes standard. L'antenne de la bombe à eau peut également transformer sa forme pour manipuler les ondes électromagnétiques de manière soigneusement calibrée. Combiné à des algorithmes avancés, le système de bombe à eau peut traiter efficacement les informations d'un large éventail de champs électromagnétiques. Cette capacité de changement de forme permet aux ingénieurs d'étendre les capacités des appareils utilisés pour la détection et l'imagerie.

"Pour la plupart des applications, les systèmes planaires ou plats sont préférés car ils sont plus simples et plus faciles à concevoir", a déclaré Sengupta, professeur agrégé de génie électrique et informatique. "Mais les systèmes reconfigurables nous permettent d'étendre considérablement nos capacités en imagerie informatique. En utilisant l'origami, nous sommes en mesure de combiner la simplicité des réseaux planaires avec la capacité étendue des systèmes reconfigurables. C'est comme un robot transformateur en action."

Sengupta a déclaré que les réseaux basés sur l'origami pourraient considérablement améliorer la technologie de détection nécessaire pour les véhicules autonomes, les robots et les systèmes cyberphysiques. La simplicité relative des systèmes d'antenne individuels signifie également que les réseaux de détection peuvent être légers et peu coûteux, ce qui les rend plus faciles à fabriquer et à déployer à grande échelle.

Alors que les développements rapides de l'énergie et du calcul attirent généralement l'attention du public, Sengupta et ses collègues de Princeton Engineering se concentrent sur les réseaux sans fil invisibles qui permettent à ces percées d'autonomiser la société.

"Vous pouvez penser à toutes ces applications vraiment complexes qui émergent - robotique, voitures autonomes, villes intelligentes, applications de santé intelligentes, réalité artificielle, réalité virtuelle", a-t-il déclaré. "Toutes ces choses sont assises sur ce réseau de communications sans fil."

Chacune de ces applications représenterait une augmentation majeure de la demande de réseaux sans fil. Ensemble, ils exigent une refonte fondamentale de la façon dont nous transférons les données sur les ondes, à la fois en termes de puces conçues pour gérer le trafic et les signaux transmis par ces puces. En bref, nous devons regrouper beaucoup plus d'informations dans les signaux et construire des systèmes informatiques capables de traiter les informations rapidement, avec précision et en toute sécurité.

Au cours des dernières années, les recherches de Sengupta ont été reconnues sur les deux fronts. En 2021, il a été nommé jeune ingénieur exceptionnel par la Microwave Theory and Techniques Society (MTT-S), une société scientifique de premier plan pour les communications sans fil. L'année dernière, il a reçu le New Frontier Award pour ses travaux sur les micropuces de l'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), la plus grande société d'ingénierie électrique au monde.

De la conception des puces au traitement du signal, les prix reflètent l'approche globale de la recherche adoptée par l'équipe de recherche de Sengupta au laboratoire de recherche sur les micro-systèmes intégrés. Ces dernières années, son groupe a fait la démonstration d'une technologie permettant de s'étendre à de nouvelles bandes de fréquences pour des transmissions plus rapides et plus sécurisées, a développé une nouvelle technologie de détection pour des applications scientifiques et médicales et a produit des méthodes pour sécuriser les transmissions à forte demande sans ralentir les applications.

Dans le projet le plus récent, impliquant l'origami à la bombe à eau, l'équipe de recherche de Sengupta s'est concentrée sur les réseaux d'antennes eux-mêmes vers des méthodes de changement de forme de plusieurs réseaux en systèmes complexes. Le système reconfigurable permet non seulement une détection hyper-spectrale sur une large gamme de fréquences, mais il fusionne les informations avec la topologie de surface. Cela pourrait s'avérer précieux pour les véhicules et les robots qui nécessitent des communications intensives tout en travaillant dans une variété d'environnements. Cela pourrait également s'avérer important pour d'autres structures électroniques qui nécessitent un pliage et un réglage tels que les engins spatiaux et les panneaux solaires.

"En éliminant les contraintes des réseaux d'antennes à écran plat, nous pouvons combiner les principes de l'origami avec l'électronique haute fréquence et le traitement avancé du signal pour créer des systèmes d'imagerie et de radar polyvalents et hautement efficaces", a déclaré Sengupta.

Sengupta a déclaré que l'approche technologique de son équipe de recherche varie selon ces projets, mais que le but ultime est de résoudre les défis que les changements apporteront au monde sans fil. L'un de ces défis concerne les débits de données requis par les nouvelles applications. Prenez les voitures autonomes : l'accent est mis sur la technologie de navigation ou la puissance de traitement dont un véhicule autonome aura besoin, mais l'un des plus grands défis consiste à créer un réseau sans fil pour prendre en charge la nouvelle technologie.

"Pensez au déluge d'informations d'une voiture autonome", a-t-il déclaré. Même une seule voiture nécessitera une grande quantité de données pour naviguer dans un réseau routier complexe. Pour plusieurs voitures partageant une autoroute, les demandes de données augmenteront encore plus. "Vous avez besoin de connexions à très haut débit, vous devez donc penser à des fréquences que nous n'avons pas utilisées auparavant."

La technologie médicale est également sur le point de connaître un changement massif, avec une surveillance de la santé en temps réel et de nouveaux dispositifs tels que des bandages qui communiquent avec des médecins à distance et ajustent le traitement en fonction de l'état du patient.

Tous ces développements exigeront plus de vitesse, de plus grandes quantités de livraison de données et une sécurité plus stricte que les réseaux modernes ne sont capables de fournir. Sengupta a déclaré que la résolution de ces problèmes nécessitera un travail à la fois au niveau des nouvelles micropuces et des fréquences utilisées pour transmettre les signaux.

"Les approches que nous poursuivons sont multidisciplinaires", a-t-il déclaré. "Notre approche consiste à exploiter des concepts issus de différents domaines et à les fusionner pour créer des systèmes performants."

« Origami Microwave Imaging Array: Metasurface Tiles on a Shape-Morphing Surface for Reconfigurable Computational Imaging », a été publié le 5 octobre 2022 dans Advanced Science. Outre Sengupta, les auteurs incluent Suresh Venhatesh de l'Université d'État de Caroline du Nord ; Daniel Sturm de la promotion 2019 de l'Université de Princeton, maintenant étudiant diplômé à l'Université de Washington ; Xuyang Lu de l'Institut conjoint Université du Michigan-Shanghai Jiao Rong University ; et Robert J. Lang de Lang Origami. Le projet a été soutenu en partie par le Bureau de la recherche scientifique de l'US Air Force et la Momental Foundation.