Инженеры создали «одеяло» из сложных радиочастотных антенн

Инженеры использовали свой опыт в области метаповерхностей — сверхтонких оптических компонентов, которые могут контролировать распространение света, — и недорогую, высокомасштабируемую платформу плоской вязки для создания антенн радиочастотной связи, которые легко переносить и развёртывать.

Большинство радиочастотных антенн, особенно высоконаправленные антенные решётки, представляют собой плоские жёсткие устройства. Зачастую они большие, тяжёлые и громоздкие, а также могут быть дорогими в производстве.

Исследователи изучают способы производства небольших и более гибких антенн, в том числе с помощью струйной и трафаретной печати непосредственно на текстиле, а также вышивки. Но эти методы предполагают, что проводящий материал добавляется к существующему текстилю вместо того, чтобы интегрироваться в него в процессе изготовления самой ткани, что приводит к таким проблемам, как расслоение, скольжение или растрескивание металлической области, а также к сложностям с масштабируемостью производства.

Инженеры поняли, что им нужно создать высокопроизводительную, недорогую технологию, которая напрямую интегрирует плоские антенные решетки в текстиль. Поэтому они решили изучить вязание и ткачество. Исследователи применили новый подход к изготовлению гибких, лёгких метаповерхностей с длиной волны сантиметра. Они использовали старую технику цветного вязания, называемую плавающим жаккардовым вязанием, и применили коммерчески доступные металлические и диэлектрические нити для производства двух прототипов устройств с отражающей решёткой — линзы метаповерхности (металинзы) и устройства генерации вихревого пучка.

В технике плавающего жаккардового вязания для создания узора используются два или более типов нитей: пряжа свободно плавает под тканью, когда она не используется, и возвращается на лицевую сторону по мере необходимости для создания желаемого узора.

Объединив текстильное производство и разработку антенн в единый процесс, команда оптимизировала процесс производства и устранила распространённые дефекты антенн. Группа первой адаптировала методы плоской вязки для встраивания антенн непосредственно в процесс производства с низкими затратами и высокой производительностью в промышленных масштабах.

Каждый из прототипов метаповерхностей с площадью основания около 1 квадратного метра был связан в течение 45 минут. Кроме того, устройства из плоской вязки выдерживали многократную стирку и растягивание на раме.

«Техника вязания жаккардовым полотном, используемая для создания наших текстильных метаповерхностей, — это точно такая же техника, которую моя мама использовала для вязания свитеров для меня. Я до сих пор помню фиолетовый свитер, который носил в детстве, на груди которого был ряд белых котов; я помню, что когда я осмотрел внутреннюю сторону свитера и увидел белые параллельные нити — полотно», — рассказал Нанфан Юй, пионер в исследовании нанофотонных устройств, таких как метаповерхности.

Он отметил, что эти сложные радиочастотные антенны можно легко производить, используя существующую инфраструктуру: «Мы можем использовать очень старую и очень хорошо зарекомендовавшую себя трикотажную промышленность для удовлетворения некоторых потребностей современных телекоммуникаций. Простая и масштабируемая природа подхода к изготовлению означает, что эти устройства могут быть недорогими, сверхлёгкими, гибкими вариантами сложных антенн радиочастотной связи».

Исследователи показали, что, когда металинза работает как приёмник, она фокусирует падающую сантиметровую волну в узкое (дифракционно-ограниченное) фокусное пятно, а при работе в качестве передающей антенны она преобразует расходящееся излучение от рупорной антенны (обычный источник радиочастот) в волну с плоским волновым фронтом — высоконаправленный луч.

Они также продемонстрировали, как выполнить более сложные задачи формирования волнового фронта: метаповерхность создаёт вихревой луч — луч с волновым фронтом в форме штопора. Из-за особого волнового фронта он может нести независимый

целостный канал информации, а совместное использование вихревого и луча с плоским волновым фронтом позволяет сделать канал связи в два раза эффективнее.

В будущем исследователи намерены изучить современные методы вязания — их существует не менее дюжины — и вязальные машины для реализации более сложных многофункциональных конструкций, в том числе для создания тканей с комбинированными дизайнерскими электромагнитными, электронными и механическими откликами.

Также отмечается, что коммерческие плосковязальные машины способны производить текстильные изделия шириной до двух метров и без ограничений по длине. Исследователи будут изучать это преимущество, чтобы создать антенны с высоким коэффициентом усиления с отверстиями диаметром в несколько метров, при этом лёгкие и гибкие.

«Важно подчеркнуть, что эти устройства были изготовлены с использованием коммерчески доступных пряж и устоявшихся методов изготовления. Я почти уверен, что сообщества вязальщиц могут придумать гениальные способы объединить эстетику и функциональность в свитере — свитере, который может также служить усилителем сигнала Wi-Fi», — отметил Юй.

В 2021 году исследователи Массачусетского технологического института и нескольких университетов Швеции представили новый тип волокна, и которого можно делать одежду с тактильной обратной связью в виде давления, бокового растяжения или вибрации. Многослойные волокна OmniFibers содержат в центре жидкостный канал, который может активироваться соответствующей системой. Она управляет геометрией ткани путем создания давления благодаря текучей среде, такой как сжатый воздух или вода, что наделяет волокна свойствами искусственной мышцы.

Летом 2024 года исследовании шведских Университета Линчепинга и Университета Бороса рассказали о технологии «текстильных мышц», работу которых обеспечит ткань с покрытием из токопроводящего пластика . В перспективе технология может быть встроена в одежду, которая будет помогать поднимать тяжести, позволит обниматься на расстоянии и помогать слабовидящим ориентироваться в городской среде.