Los ingenieros han descubierto cómo hacer que las antenas para la comunicación inalámbrica sean 100 veces más pequeñas que su tamaño actual, un avance que podría llevar a pequeños implantes cerebrales, dispositivos micro-médicos o teléfonos que pueda usar en su dedo.
Los implantes cerebrales en particular son “como la ciencia ficción”, dice el autor del estudio, Nian Sun, ingeniero eléctrico y científico de materiales en la Universidad Northeastern de Boston. Pero eso no le ha impedido tratar de hacerlos realidad.
Las mini-antenas juegan la diferencia entre las ondas electromagnéticas (EM), como la luz y las ondas de radio, y las ondas acústicas, tales como el sonido y las vibraciones inaudibles. Las ondas electromagnéticas son fluctuaciones en un campo electromagnético, y viajan a la velocidad de la luz-un asombroso 300.000.000 metros por segundo. Las ondas acústicas son el movimiento de la materia, y viajan a una velocidad mucho más lenta del sonido, en un sólido, típicamente unos pocos miles de metros por segundo. Así, a cualquier frecuencia dada, una onda EM tiene una longitud de onda mucho más larga que una onda acústica.
Las antenas reciben información resonando con ondas EM, que convierten en voltaje eléctrico. Para que tal resonancia ocurra, la longitud de una antena tradicional debe corresponder aproximadamente a la longitud de onda de la onda EM que recibe, lo que significa que la antena debe ser relativamente grande. Sin embargo, como una cuerda de la guitarra, una antena puede también resonar con ondas acústicas. Las nuevas antenas se aprovechan de este hecho. Recogerán ondas EM de una frecuencia dada si su tamaño coincide con la longitud de onda de las ondas acústicas mucho más cortas de la misma frecuencia. Esto significa que para cualquier frecuencia de señal dada, las antenas pueden ser mucho más pequeñas.
El truco es, por supuesto, para convertir rápidamente las ondas EM entrantes en ondas acústicas. Para ello, la antena de dos partes emplea una lámina delgada de un material llamado piezomagnético, que se expande y contrae cuando se expone a un campo magnético. Si tiene el tamaño y forma adecuados, la hoja convierte eficientemente la onda electromagnética entrante en vibraciones acústicas. Ese material piezomagnético se une después a un piezo eléctrico material, que convierte las vibraciones a una tensión eléctrica oscilante. Cuando la antena envía una señal, la información viaja en sentido inverso, desde tensión eléctrica a vibraciones a ondas EM. El mayor desafío, dice Sun, era encontrar el material piezomagnético adecuado -se instaló en una combinación de hierro, galio y boro- y luego producirlo con alta calidad.
El equipo creó dos tipos de antenas acústicas. Uno tiene una membrana circular, que trabaja para las frecuencias en la gama del gigahertz, incluyendo ésos para WiFi. El otro tiene una membrana rectangular, adecuada para frecuencias de megahertz utilizado para TV y radio. Cada uno tiene menos de un milímetro de diámetro, y ambos pueden fabricarse juntos en un solo chip. Cuando los investigadores probaron una de las antenas en una habitación especialmente aislada, encontraron que comparado con una antena de anillo convencional del mismo tamaño, envió y recibió señales de 2,5 gigahertz aproximadamente 100,000 veces más eficientemente , reportan hoy en Nature Communications .
“Este trabajo ha traído el concepto original un gran paso más cerca de la realidad”, dice Y. Ethan Wang, un ingeniero eléctrico de la Universidad de California, Los Ángeles, que ayudó a desarrollar la idea, pero no trabajó en el nuevo estudio. Rudy Díaz, ingeniero eléctrico de la Universidad Estatal de Arizona en Tempe, le gusta el concepto y la ejecución, pero sospecha que en un dispositivo de consumo o dentro del cuerpo las antenas emiten demasiado calor debido a su alta densidad de energía. Wang señala que las antenas acústicas son difíciles de fabricar y, en muchos casos, las antenas convencionales más grandes funcionarán perfectamente.
Sin embargo, Sun está buscando aplicaciones prácticas. Las minúsculas antenas podrían reducir el tamaño de los teléfonos celulares, reducir los satélites, conectar objetos diminutos a la llamada Internet de las cosas, o ser tragados o implantados para la vigilancia médica o la identificación personal. Está reduciendo las antenas de frecuencia de kilohertz, buenas para comunicarse a través del suelo o del agua, desde cables de miles de metros hasta dispositivos de tamaño de palma. Estas antenas podrían vincular a las personas en la superficie de la Tierra con submarinos o mineros. Con un neurocirujano en el Hospital General de Massachusetts, también está creando implantes cerebrales para leer o controlar la actividad neuronal, útil para diagnosticar y tratar a las personas con epilepsia o, finalmente, para construir esas interfaces sci-fi cerebro-computadora.