Engenharia mecânica encontra eletromagnetismo reconfigurável

Para resolver essas limitações, os engenheiros elétricos da Penn State College of Engineering combinaram eletroímãs com um mecanismo compatível, que é o mesmo conceito de engenharia mecânica por trás de clipes de fichário ou um arco e flecha. Eles publicaram sua antena patch compatível com mecanismo reconfigurável de prova de conceito hoje (13 de fevereiro) em Natureza Comunicações.

“Os mecanismos compatíveis são projetos de engenharia que incorporam elementos dos próprios materiais para criar movimento quando a força é aplicada, em vez dos mecanismos tradicionais de corpo rígido que exigem dobradiças para o movimento”, disse o autor correspondente Galestan Mackertich-Sengerdy, que é estudante de doutorado e professor pesquisador em tempo integral na Escola de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) da faculdade. “Objetos habilitados para mecanismos compatíveis são projetados para dobrar repetidamente em uma determinada direção e para suportar ambientes hostis.”

Quando aplicado a uma antena reconfigurável, seus braços ativados por mecanismo de reclamação se dobram de maneira previsível, o que, por sua vez, altera suas frequências de operação – sem o uso de dobradiças ou rolamentos.

“Assim como um camaleão aciona as minúsculas protuberâncias em sua pele para se mover, o que muda sua cor, uma antena reconfigurável pode mudar sua frequência de baixa para alta e vice-versa, apenas configurando suas propriedades mecânicas, habilitadas pelo mecanismo compatível”, disse co -autor Sawyer Campbell, professor de pesquisa associado na EECS.

Os designs habilitados para mecanismos compatíveis substituem as tecnologias de design de origami existentes, nomeadas em homenagem à arte japonesa de dobrar papel, que são reconfiguráveis, mas não têm as mesmas vantagens em robustez, confiabilidade a longo prazo e capacidade de manuseio de alta potência.

“Os designs de antenas de origami são conhecidos por suas capacidades compactas de dobramento e armazenamento que podem ser implantados posteriormente no aplicativo”, disse Mackertich-Sengerdy. “Mas uma vez que essas estruturas dobradas de origami são implantadas, elas geralmente precisam de uma estrutura de reforço complexa, para que não entortem ou dobrem. Se não forem cuidadosamente projetadas, esses tipos de dispositivos sofreriam limitações de tempo de vida operacional e ambiental no campo.”

A equipe ilustrou e projetou um protótipo de antena circular em forma de íris usando um software comercial de simulação eletromagnética. Eles então o imprimiram em 3D e o testaram quanto a falhas de fadiga, bem como fidelidade de padrão de frequência e radiação na câmara anecóica da Penn State, uma sala isolada com material absorvedor de ondas eletromagnéticas que evita que os sinais interfiram no teste da antena.

Embora o protótipo – projetado para atingir uma frequência específica para demonstração – seja apenas um pouco maior que a palma da mão humana, a tecnologia pode ser dimensionada para o nível de circuito integrado para frequências mais altas ou aumentada em tamanho para aplicações de frequência mais baixa, de acordo com os pesquisadores.

A popularidade da pesquisa de mecanismos compatíveis aumentou devido ao aumento da impressão 3D, de acordo com os pesquisadores, que permite infinitas variações de design. Foi a formação de Mackertich-Sengerdy em engenharia mecânica que lhe deu a ideia de aplicar esta classe específica de mecanismos compatíveis com eletromagnetismo.

“O documento apresenta mecanismos compatíveis como um novo paradigma de design para toda a comunidade de eletromagnetismo, e prevemos que ele cresça”, disse o co-autor Douglas Werner, John L. e Genevieve H. McCain Chair Professor da EECS. “Pode ser o ponto de ramificação para um campo totalmente novo de designs com aplicações empolgantes com as quais ainda não sonhamos.”