پنل‌های متاکریستال ارزان‌قیمت، امواج بی‌سیم را از موانع عبور می‌دهند

تاریخ فناوری پر است از داستان‌هایی که نشان می‌دهند غول‌های بزرگ با مانعی کوچک شکست می‌خورند؛ حالا هم نوبت به شبکه‌ی فوق‌سریع 6G و دیوارها رسیده است. پژوهشگران دانشگاه آلتو در فنلاند اکنون با استفاده از چاپ سه‌بعدی‌، راهکاری ارزان ابداع کرده‌اند که می‌تواند به سیگنال‌های بی‌سیم آینده کمک کند تا به‌جای متوقف شدن مقابل موانع، از آن‌ها عبور و مسیر خود را دور آن‌ها خم کنند.

دستگاه ابداع‌شده یک پنل متاکریستال چاپ سه‌بعدی است که می‌تواند امواج رادیویی را به‌صورت غیرفعال و بدون نیاز به الکترونیک یا تعمیر و نگهداری موردنیاز برای راهکارهای فعال کنونی، منحرف کند. این ساختار در اصل ماده‌ای دی‌الکتریک و پلیمری‌مانند با هندسه‌ای دقیق است که تنها با هندسه‌ی خود، جهت امواج رادیویی را تغییر می‌دهد. چنین پنل‌هایی را می‌توان روی سطوحی مانند دیوارها یا سقف نصب کرد تا سیگنال‌های بی‌سیم را به فضاهایی برسانند که در حالت عادی دسترسی به آن‌ها دشوار است.

در حالی که 6G هنوز در مرحله‌ی پژوهش و توسعه قرار دارد، ظرفیت آن بسیار چشمگیر توصیف می‌شود. انتظار می‌رود این فناوری به اوج نرخ داده‌ی نظری تا یک ترابیت بر ثانیه برسد؛ رقمی که ۵۰ تا ۱۰۰ برابر سریع‌تر از حداکثر سرعت نظری 5G است. برای درک بهتر، این سرعت می‌تواند در یک ثانیه، تمام مجموعه‌ی آلبوم‌های مایکل جکسون را هشت بار دانلود کند؛ البته اگر فرض کنیم فایل‌ها با کیفیت فوق‌العاده بالا و در سطح استودیویی صوتی دریافت می‌شوند.

یکی از پاسخ‌های رایج به مشکل مذکور، افزایش تعداد ایستگاه‌های پایه، روترها، تکرارکننده‌ها، رله‌ها و آنتن‌های تغذیه‌شونده برای متراکم‌سازی شبکه یا عبور سیگنال از اطراف موانع است، اما هزینه‌ی این راهکارها با افزایش تعداد سخت‌افزار، مصرف انرژی بیشتر، تعمیر و نگهداری سنگین‌تر و در نهایت، بسیار گران‌قیمت خواهد بود. در همین نقطه، رویکرد تیم پژوهشی به عنوان راهکاری کمتر فنی، اما عملی و حتی شاید هوشمندانه‌تر مطرح می‌شود.

به‌گزارش نیواطلس، مهدی عسگری، پژوهشگر دکتری، می‌گوید: «وقتی اتاق خیلی تاریک است، می‌توانید چراغ‌های بیشتری بیاورید یا از آینه‌های ساده برای هدایت نور موجود استفاده کنید. این همان کاری است که متاکریستال‌ها با امواج رادیویی انجام می‌دهند.» در این روش، پنل نه سیگنال تازه‌ای تولید می‌کند و نه سیگنال موجود را به‌صورت الکترونیکی تقویت می‌کند؛ بلکه مسیر امواج رادیویی حاضر در محیط را بازآرایی می‌کند.

در عمل، پنل‌ها روی دیوارها، سقف‌ها، مبلمان، راهروها یا هر سطح دیگری قرار می‌گیرند تا سیگنال را از گوشه‌ای عبور دهند، آن را به ناحیه‌ای سایه‌افتاده هدایت کنند یا حتی به سمت کاربر یا دستگاهی مشخص بفرستند. پنل‌ها روتر نیستند و در معنای معمول الکترونیکی هم تقویت‌کننده‌ی سیگنال محسوب نمی‌شوند؛ بلکه بیشتر شبیه مدیران غیرفعال ترافیک برای انرژی بی‌سیم عمل می‌کنند.

راز کار در ساختار درونی متاکریستال نهفته است. متامواد، موادی مهندسی‌شده‌اند که رفتار مفیدشان فقط از جنس خود ماده نمی‌آید، بلکه از شکل‌دهی هندسی در مقیاس‌های کوچک ناشی می‌شود. در این پروژه، تیم پژوهشی یک ساختار تمام‌دی‌الکتریک از ماده‌ای با گذردهی پایین و حفره‌های هوا ساخته‌اند. هندسه‌ی سه‌بعدی پنل تعیین می‌کند که پراکندگی، بازتابش، عبور یا جذب امواج رادیویی ورودی چگونه باشد.

پژوهشگران ساختارها را با استفاده از «بهینه‌سازی توپولوژی معکوس» طراحی کرده‌اند. به‌جای آنکه هر ویژگی داخلی را به‌صورت دستی ترسیم کنند، ابتدا وظیفه‌ی الکترومغناطیسی موردنظر پنل را تعریف کردند و سپس نرم‌افزار، الگوریتمی را تولید کرد که به هدف برسد. متاکریستال‌های حاصل برای کار با چندین موج ورودی، زاویه‌های مختلف، دو قطبش و چند عملکرد هم‌زمان طراحی شده‌اند؛ از جمله بازتاب نامعمول، انتقال و جذب.

ویژگی فوق، یکی از جنبه‌های نوآورانه‌ی پروژه را توضیح می‌دهد. سطوح هوشمند پدیده‌ی تازه‌ای نیستند و متاسطح‌های غیرفعال هم از قبل وجود داشته‌اند، اما اغلب فقط در یک باند فرکانسی، یک قطبش یا یک زاویه‌ی ورود به‌خوبی عمل می‌کنند. متاکریستال‌های این پژوهش می‌کوشند فاصله را با تکیه بر ساختاری سه‌بعدی و حجیم با ضخامت معقول پر کنند؛ ساختاری که بدون افزودن الکترونیک، آزادی عمل طراحی بیشتری در اختیار می‌گذارد.

پژوهشگران برآورد کرده‌اند که هزینه‌ی مواد مصرفی هر قطعه می‌تواند حدود چند ده یورو باشد، زیرا پنل‌ها را می‌توان با چاپ سه‌بعدی ساخت. مزیت دیگر، امکان سفارشی‌سازی است؛ هر پنل می‌تواند برای محیطی مشخص طراحی شود، نه اینکه به‌صورت انبوه و به شکل یک جعبه‌ی عمومی تولید شود. در نتیجه، هم شبکه و هم فضا می‌توانند پنل‌هایی داشته باشند که دقیقا برای چیدمان فرستنده‌ها و موانع همان محیط ساخته شده‌اند.

البته این فناوری هم محدودیت‌هایی دارد. یک پنل غیرفعال نمی‌تواند از هیچ، انرژی تولید کند و هر مسیر بازتعبیه‌شده همچنان با قوانین واقعی فیزیک روبه‌رو است. فاصله، جذب، پراکندگی، بازتاب و تلفات، همگی از قدرت سیگنال کم می‌کنند.

پژوهش در نشریه‌ی نیچر منتشر شده است.