MIT、センシングと通信を多様にする形状変化アンテナを開発

August, 29, 2025, Cambridge--この耐久性があり安価なアンテナの周波数範囲は、その構造を縮めたり伸ばしたりすることで調整できる。

MITの研究チームは、物理的な形状を変更することで周波数範囲を動的に調整する再構成可能なアンテナを開発し、静的アンテナよりも通信やセンシングに多用途に使用できるようにした。

ユーザーはアンテナを伸ばしたり、曲げたり、圧縮したりして、その放射特性を可逆的に変更できるため、複雑な可動部品を必要とせずに、デバイスがより広い周波数範囲で動作できるようになる。周波数範囲を調整できるため、再構成可能なアンテナは変化する環境条件に適応し、複数のアンテナの必要性を減らすことができる。

「アンテナ」という言葉から、古いテレビの上にある「ウサギの耳」のような金属棒を思い浮かべるかもしれないが、MITのチームは代わりにメタマテリアル、つまり剛性や強度などの機械的特性が材料のコンポーネントの幾何学的配置に依存する人工材料に取り組んでいた。

その結果、ウェアラブルデバイスでのエネルギー伝達、拡張現実のためのモーショントラッキングとセンシング、または幅広いネットワークプロトコルにわたるワイヤレス通信などのアプリケーションに使用できる、再構成可能なアンテナの簡素化された設計が実現した。

さらに、研究者らは、ユーザーがレーザカッターを使用して製造できるカスタマイズされたメタマテリアルアンテナを生成できるように編集ツールを開発した。

「通常、アンテナについて考えるとき、われわれは静的アンテナを思い浮かべる。それらは特定の特性を持つように製造されており、それだけだ。しかし、3つの異なる幾何学的状態に変形できる補助メタマテリアルを使用し、新しい構造を作製することなく、アンテナの形状を変更することでアンテナの特性をシームレスに変更することができる。さらに、メタマテリアル形状の変化によるアンテナの無線周波数特性の変化を、インタラクション設計の新しいセンシング方法として利用できる」と、筆頭著者でMITの機械工学大学院生Marwa AlAlawiは説明している。

同氏の共著者として、MITの学部生であるRegina ZhengとKatherine Yan、MITの電気工学とコンピュータサイエンスの大学院生であるTicha Sethapakdi、韓国の光州科学技術院のSoo Yeonをはじめ、共同上級著者として、ミシガン大学助教授のJunyi Zhu、MIT電気工学、コンピュータサイエンス、機械工学のTIBCOキャリア開発准教授であり、コンピュータサイエンスおよび人工知能研究所のヒューマンコンピュータインタラクショングループのリーダーであるStefanie Muellerがいる。この研究は、ユーザーインタフェースソフトウエアとテクノロジーに関するACMシンポジウムで発表される。

アンテナを理解する
従来のアンテナは無線信号を放射および受信するが、この研究では、研究チームはデバイスがセンサとしてどのように機能するかを調べた。チームの目標は、センシング用のアンテナとしても使用できる機械要素を開発することだった。

これを行うために、チームはアンテナが最も効率的な周波数であるアンテナの「共振周波数」を活用した。

アンテナの共振周波数は、その形状の変化により変化する。（テレビの雑音を減らすために、左の「ウサギの耳」を伸ばすことを考えてみよう。）研究者は、センシングのためにこれらの変化を捉えることができる。たとえば、再構成可能なアンテナを使用して、人の胸部の拡張を検出し、呼吸を監視できる。

多用途の再構成可能なアンテナを設計するために、研究チームはメタマテリアルを使用した。これらの加工材料は、さまざまな形状を採用するようにプログラムでき、回転、圧縮、引き伸ばし、または曲げることができる単位セルの周期的な配置で構成されている。

メタマテリアル構造を変形させることで、アンテナの共振周波数をシフトすることができる。

「共振周波数の変化を引き起こすには、アンテナの実効長を変更するか、アンテナにスリットや穴を開ける必要がある。メタマテリアルを使用すると、1つの構造からだけでさまざまな状態を得ることができる」(AlAlawi)。

メタアンテナと呼ばれるこのデバイスは、2つの導電層の間に挟まれた材料の誘電体層で構成されている。

メタアンテナを製造するために、研究チームはレーザカッターでゴムシートから誘電体レーザを切り取った。次に、導電性スプレー塗料を使用して誘電体層の上にパッチを追加し、共鳴する「パッチアンテナ」を作成した。

しかし、チームは、最も柔軟な導電性材料でさえ、アンテナが影響を受ける変形の量に耐えられないことを発見した。

「われわれは、多くの試行錯誤を繰り返した結果、構造に柔軟なアクリル塗料を塗れば、ヒンジが保護され、早期に破損しないようにできることがわかった」(AlAlawi)。

メーカーのための手段
製造の問題が解決された後、研究チームは、ユーザーが特定アプリケーション向けにメタマテリアルアンテナを設計および製造できるツールを構築した。

ユーザーは、アンテナパッチのサイズを定義し、誘電体層の厚さを選択し、メタマテリアルユニットセルの長さと幅の比率を設定できる。次に、システムはアンテナの共振周波数範囲を自動的にシミュレートする。

「メタマテリアルの素晴らしさは、相互接続されたリンク機構システムであるため、幾何学的構造により機械システムの複雑さを軽減できることだ」とAlAlawiは話している。

研究チームは、このデザインツールを使用して、家庭用照明を動的に調整するカーテンや、ノイズキャンセリングモードと透明モードをシームレスに移行するヘッドフォンなど、いくつかのスマートデバイスにメタアンテナを組み込んだ。

たとえば、スマートヘッドホンの場合、メタアンテナが拡張して曲がると、共振周波数が2.6%シフトし、ヘッドホンモードが切り替わる。チームの実験では、メタアンテナ構造が1万回以上の圧縮に耐えるのに十分な耐久性があることも示された。

アンテナパッチはあらゆる表面にパターン化できるため、より複雑な構造で使用できる。たとえば、アンテナは、非侵襲的な生物医学センシングや温度監視を実行するスマートテキスタイルに組み込むことができる。

将来的には、研究チームは、より幅広いアプリケーション向けに3次元メタアンテナを設計したいと考えている。また、設計ツールにさらに機能を追加し、メタマテリアル構造の耐久性と柔軟性を向上させ、さまざまな対称メタマテリアルパターンを実験し、いくつかの手動製造ステップを合理化したいと考えている。