Ampliando los límites de la tecnología médica con antenas portátiles

Huanyu «Larry» Cheng, Dorothy Quiggle, profesora asistente de desarrollo profesional de ingeniería, ciencia y mecánica en la Facultad de Ingeniería de Penn State, y dos equipos internacionales de investigadores están desarrollando dispositivos para explorar las posibilidades de las antenas portátiles y flexibles. Publicaron dos artículos en abril en Nano-Micro Letters y Materiales y diseño.

La antena portátil se pliega, estira y comprime sin comprometer la funcionalidad.

Al igual que los sensores portátiles, un transmisor portátil debe ser seguro para su uso en la piel humana, funcional a temperatura ambiente y capaz de resistir torsión, compresión y estiramiento. Sin embargo, la flexibilidad del transmisor plantea un desafío único: cuando las antenas se comprimen o estiran, su frecuencia de resonancia (RF) cambia y transmiten señales de radio en longitudes de onda que pueden no coincidir con las de los receptores previstos de la antena.

«Cambiar la geometría de una antena cambiará su rendimiento», dijo Cheng. «Queríamos apuntar a una estructura geométrica que permitiera el movimiento sin cambiar la frecuencia de transmisión».

El equipo de investigación creó el transmisor de capas flexibles. Basándose en investigaciones anteriores, fabricaron una malla de cobre con un patrón de líneas onduladas superpuestas. Esta red constituye la capa inferior, que toca la piel, y la capa superior, que actúa como elemento radiante en la antena. La capa superior crea un arco doble cuando se comprime y se estira cuando se tira y se mueve entre estas etapas en una serie ordenada de pasos. El proceso estructurado mediante el cual la malla de la antena se arquea, aplana y estira mejora la flexibilidad general de la capa y reduce las fluctuaciones de RF entre los estados de la antena, según Cheng.

La eficiencia energética fue otra prioridad. La capa de malla inferior evita que las señales de radio interactúen con la piel. Esta implementación, además de prevenir el daño tisular, evita una pérdida de energía provocada por la degradación de la señal por parte de los tejidos. La capacidad de la antena para mantener una RF constante también permite que el transmisor recolecte energía de las ondas de radio, dijo Cheng, reduciendo potencialmente el consumo de energía de fuentes externas.

El transmisor, que puede enviar datos inalámbricos a una distancia de casi 300 pies, puede integrar fácilmente varios chips o sensores de computadora, dijo Cheng. Con más investigación, podría tener aplicaciones en la monitorización de la salud y los tratamientos clínicos, así como en la generación y almacenamiento de energía.

«Demostramos una sólida comunicación inalámbrica en un transmisor extensible», dijo Cheng. «Hasta donde sabemos, esta es la primera antena portátil que exhibe una frecuencia resonante casi sin cambios en un rango de extensión relativamente amplio».

Permitiendo una mayor personalización de la antena con variables constantes

Después de desarrollar el prototipo de antena extensible, Cheng lo analizó con otro equipo de investigación. Los investigadores tenían como objetivo identificar nuevas vías fundamentales para desarrollar un dispositivo de este tipo que pudiera aplicarse a investigaciones similares y futuras.

«Queríamos investigar el problema examinando la conexión entre las propiedades mecánicas y el comportamiento electromagnético», dijo Cheng. «Resaltar esta relación puede revelar información sobre la influencia de varios parámetros en el rendimiento de la antena».

El equipo fabricó una antena con capas y un patrón de malla similar al prototipo anterior, pero sin la estructura de compresión de doble arco. Midieron la deformación de la antena a medida que la red se extendía a diferentes intervalos, luego usaron simulaciones por computadora para examinar la relación entre la deformación de la antena y el rendimiento.

Para simplificar el análisis de la transmisión de la señal de radio de la antena, los investigadores utilizaron una técnica matemática para convertir ciertas medidas, como el ancho y el ángulo del patrón de malla repetido, en valores constantes. Con este proceso, llamado normalización, los investigadores pueden centrarse en la relación entre variables específicas al negar la influencia de las variables normalizadas.

El equipo descubrió que la normalización de varias variables proporcionaba varias vías para personalizar el rendimiento de la antena. También encontraron que la geometría de malla simulada podría producir resultados diferentes, incluso con el mismo conjunto de variables normalizadas.

Aunque los investigadores analizaron las propiedades de la antena portátil, Cheng señaló que sus métodos podrían aplicarse a otros dispositivos de radiofrecuencia.

«Hemos demostrado que no es necesario simplemente explorar los efectos de una variable normalizada», dijo Cheng. «Con este método, podemos personalizar las propiedades de otras antenas o dispositivos que se comunican mediante microondas».

Mirando al futuro

Cheng y sus colaboradores continuarán investigando formas de facilitar el desarrollo de estos dispositivos a través de estudios basados ​​en aplicaciones y exploraciones fundamentales adicionales para optimizar el proceso de diseño.

«Estamos muy emocionados de que esta investigación pueda algún día conducir a redes de sensores y transmisores para llevar en el cuerpo, todos comunicándose entre sí y con dispositivos externos», dijo Cheng. «Lo que estamos imaginando es ciencia ficción en este momento, pero estamos trabajando para que suceda».