与高频无线芯片配对的精密天线阵列就像现代电子产品的超级大国，推动从传感到安全再到数据处理的一切。在普林斯顿的实验室里，考希克·森古普塔(KaushikSengupta)正在努力进一步扩大这些权力。

近年来，Sengupta的实验室设计了天线阵列，帮助工程师在透视物质、促进摩天大楼峡谷中的通信、在智能手机上建立医学实验室以及用电磁波而不是软件加密关键数据方面取得长足进步。

在AdvancedScience的一篇新文章中，Sengupta的研究团队展示了一种基于折纸艺术的新型天线阵列。变形阵列设计成一个被称为水弹的折叠纸盒，使工程师能够创建一个可重构和适应性强的雷达成像表面。

为了构建该系统，该团队在标准平板上安装了新型宽带超表面天线。然后，他们将许多天线面板连接到一个精确设计的折纸表面，具有偏移的棋盘图案。通过适当的折叠和展开面板顺序，阵列呈现出各种不同的形状，如曲线、马鞍和球体。

凭借这种移动和扩展的能力，折纸系统提供了更宽的分辨率，并且能够捕获超出标准天线阵列能力的复杂三维场景。水弹天线还可以改变其形状，以仔细校准的方式操纵电磁波。结合先进的算法，水弹系统可以有效地处理来自广泛电磁场的信息。这种变形能力使工程师能够扩展用于传感和成像的设备的功能。

“对于大多数应用程序来说，平面系统是首选，因为它们更简单，更容易设计，”电气和计算机工程副教授Sengupta说。“但可重构系统使我们能够大大扩展我们在计算机成像方面的能力。使用折纸，我们能够将平面阵列的简单性和可重构系统的扩展能力结合起来。它就像一个变形机器人在行动。”

Sengupta表示，基于折纸的阵列可以极大地改进自动驾驶汽车、机器人和网络物理系统所需的传感技术。单个天线系统的相对简单性也意味着传感阵列可以轻巧且成本低廉，从而使其更易于制造和大规模部署。

虽然能源和计算领域的快速发展通常会引起最多的公众关注，但Sengupta和他在普林斯顿工程学院的同事们专注于无形的无线网络，这些无线网络使这些突破能够赋予社会权力。

“你可以考虑所有这些正在出现的非常复杂的应用——机器人、自动驾驶汽车、智能城市、智能医疗应用、人工现实、虚拟现实，”他说。“所有这些东西都位于无线通信网络上。”

这些应用程序中的任何一个都将代表对无线网络需求的大幅增长。总之，他们要求从根本上重新思考我们如何通过电波传输数据，包括设计用于处理流量的微芯片和这些芯片传输的信号。简而言之，我们需要将更多的信息打包成信号，并构建能够快速、准确和安全地处理信息的计算机系统。

Origami允许工程师快速移动天线阵列，大大提高他们的能力。图片来源：Sengupta等。

在过去的几年里，森古普塔的研究在这两个方面都得到了认可。2021年，他被领先的无线通信科学学会微波理论与技术学会(MTT-S)评为杰出青年工程师。去年，他因在微芯片方面的工作获得了全球最大的电气工程学会电气和电子工程师协会(IEEE)颁发的新前沿奖。

从芯片设计到信号处理，这些奖项反映了Sengupta在集成微系统研究实验室的研究团队所采用的广泛研究方法。近年来，他的团队展示了扩展到新频段以实现更快、更安全传输的技术，为科学和医学应用开发了新的传感技术，并开发了在不减慢应用程序的情况下确保高要求传输安全的方法。

在最近的项目中，涉及水弹折纸，Sengupta的研究团队将其重点从天线阵列本身转移到将多个阵列变形为复杂系统的方法。可重构系统不仅允许在广泛的频率范围内进行超光谱传感，还将信息与表面拓扑融合在一起。这对于在各种环境中工作时需要密集通信的车辆和机器人来说可能很有价值。对于其他需要折叠和调整的电子结构，如航天器和太阳能电池板，它也可能被证明很重要。

Sengupta说：“通过消除平板天线阵列的限制，我们可以将折纸原理与高频电子和高级信号处理相结合，以创建多功能、高效的成像和雷达系统。”

Sengupta表示，他的研究团队在这些项目中采用的技术方法各不相同，但最终目标是解决变化给无线世界带来的挑战。其中一项挑战是新应用所需的数据速率。以自动驾驶汽车为例：大部分焦点都集中在导航技术或自动驾驶汽车所需的处理能力上，但最大的挑战之一是创建支持新技术的无线网络。

“想想自动驾驶汽车的信息泛滥，”他说。即使是一辆汽车也需要大量数据才能在复杂的道路系统中行驶。对于共享一条高速公路的多辆汽车，对数据的需求将进一步增加。“你需要非常高的带宽连接，所以你需要考虑我们以前没有使用过的频率。”

医疗技术同样准备好迎接巨大的变化，实时健康监测和新设备(如绷带)可以与远程医生通信并根据患者的状况调整治疗。

所有这些发展都需要比现代网络能够提供的更快的速度、更多的数据传输和更严格的安全性。Sengupta说，解决这些问题需要在新微芯片和用于传输信号的频率两个层面上开展工作。

“我们追求的方法是多学科的，”他说。“我们的方法是利用来自不同领域的概念并将它们合并以创建高性能系统。”