Antenas de alta eficiência fabricadas em tecido usando tricô
[Imagem: Michael J. Carter et al. – 10.1002/adma.202312087]
Antenas em tecidos
Imagine pegar as propriedades de transmissão e recepção de radiofrequência das antenas parabólicas que você vê nos telhados e tricotá-las em um tecido fino e flexível – pode ser uma camiseta, um cobertor, um papel de parede ou um revestimento externo, mas sempre leve, portátil, fácil de dobrar e guardar.
Não ter que usar antenas de satélite pesadas e volumosas tornaria as comunicações muito mais fáceis em inúmeras situações, como carros, ônibus, aviões, ou mesmo estruturas em locais remotos.
Esta tecnologia acaba de ser desenvolvida por Michael Carter e colegas da Universidade de Colúmbia, nos EUA – e com um nível impressionante de prontidão tecnológica.
Todo o trabalho é baseado nas metassuperfícies, materiais artificiais ultrafinos formados por componentes ópticos projetados para controlar a propagação da radiação eletromagnética de modo muito eficiente – são nanoantenas postas sobre uma superfície, cada uma com suas propriedades, mas também operando em conjunto.
Um talento para as artes manuais – o tricô – completou a receita para a criação de antenas de malha de baixo custo e altamente escalonáveis para criar sistemas de comunicação de radiofrequência (RF) fáceis de transportar e implantar.
“A técnica de tricô jacquard com fios em suspensão usada para fazer nossas metassuperfícies têxteis é exatamente a mesma técnica que minha mãe usava para fazer suéteres pra mim. Podemos alavancar a muito antiga e muito bem estabelecida indústria do tricô para atender algumas das necessidades das telecomunicações modernas. A natureza fácil e escalável da abordagem de fabricação significa que esses dispositivos podem ser variantes baratas, ultraleves e flexíveis de antenas de comunicação de radiofrequência sofisticadas,” disse o professor Nanfang Yu.
[Imagem: Columbia University]
Por que tricô para fazer antenas?
A maioria das antenas de radiofrequência, particularmente as antenas de matriz altamente direcionais, são dispositivos planos e rígidos. Embora essas antenas tradicionais provavelmente sempre permaneçam como “última geração” em termos de métricas de desempenho puro, elas têm inconvenientes, sendo grandes, pesadas e difíceis de manusear, sendo por isso caras tanto para fabricar quanto para instalar.
Tem havido muitos esforços para projetar antenas menores e mais flexíveis, incluindo por impressão a jato de tinta ou serigrafia, diretamente em tecidos e bordados. Mas essas técnicas são abordagens quase aditivas, nas quais um material condutor é adicionado a um tecido existente, em vez de ser integrado ao tecido durante o processo de fabricação do próprio tecido. A antena funciona, mas sofre de problemas como delaminação, deslizamento ou rachadura da região metálica, e é difícil fabricá-las industrialmente.
Foi aí que a equipe decidiu estudar tecelagem, costura, e particularmente o tricô, que, embora sejam as abordagens mais comuns para a fabricação de tecidos estampados, nunca haviam sido usadas para integrar diretamente antenas planas em têxteis.
Não foi preciso inventar muita coisa: O tricô está aí há séculos e é possível comprar no comércio fibras e fios tanto dielétricos quanto condutores de eletricidade. O segredo está no projeto da metassuperfície, quando devem ser planejados os padrões que darão à antena suas características.
[Imagem: Michael J. Carter et al. – 10.1002/adma.202312087]
Tipos de antenas bordadas
Na técnica de tricô jacquard de fios flutuantes, dois ou mais tipos de fio são usados para produzir um padrão: Um fio flutua solto sob o tecido quando não é usado, sendo transferido de volta para a parte frontal conforme necessário para criar o padrão desejado.
A equipe usou essa técnica para fabricar dois protótipos de antenas do tipo matriz de reflexão, uma lente de metassuperfície (metalente) e um dispositivo gerador de feixe de vórtice.
Quando a metalente funciona como antena receptora, ela focaliza uma onda centimétrica incidente em um ponto focal estreito (limitado pela difração) e, quando opera como uma antena transmissora, ela converte a emissão divergente de uma antena corneta (uma fonte de RF comum) em uma onda com frente de onda plana – um feixe altamente direcional.
A equipe demonstrou que tarefas mais complexas de modelagem de frente de onda também podem ser realizadas: A metassuperfície geradora de feixe de vórtice produz um feixe com uma frente de onda em forma de saca-rolhas. Devido a essa frente de onda peculiar, o feixe de vórtice pode transportar um canal independente de informação – por exemplo, um feixe de vórtice e um feixe com frente de onda plana podem ser usados juntos para criar um canal de comunicação duas vezes mais eficiente.
Roupa amplificadora de WiFi
Para otimizar o processo de fabricação e os resultados, a equipe já listou ao menos uma dúzia de técnicas diferentes de tricô, e pretende analisar quais delas produzem os melhores resultados, incluindo dispositivos multifuncionais – tecidos com respostas eletromagnéticas, eletrônicas e mecânicas combinadas.
“É importante ressaltar que esses dispositivos foram fabricados usando fios prontos para uso, disponíveis comercialmente, e aproveitando técnicas de fabricação estabelecidas,” disse Yu. “Estou quase certo de que comunidades de tricoteiras podem criar maneiras engenhosas de integrar estética e funcionalidade em um suéter – um suéter que possa funcionar como um amplificador de sinal Wi-Fi.”