A Compact Flexible EBG Wearable Antenna with Hybrid Dual Annealing and PSO Optimization for 2.4 GHz WBANApplications

تخيل عالماً تفعل فيه الملابس التي نرتديها ما هو أكثر من مجرد تغطيتنا؛ فهي تراقب صحتنا، وتتتبع موقعنا، وترسل بيانات حيوية إلى الأطباء أو أفراد العائلة دون أن نضطر للتفكير في ذلك أبداً. هذا هو الوعد الذي تقدمه الشبكات اللاسلكية لمنطقة الجسم، وهو مفهوم تعتمد فيه أجهزة صغيرة ومرنة على التواصل مع بعضها البعض أثناء التصاقها مباشرة بجسم الإنسان. ومع ذلك، فإن وضع هوائي إلكتروني على شخص ما أصعب بكثير من لصقه على صندوق معدني أو جدار خرساني. فجسم الإنسان يتكون في معظمه من الماء، الذي يعمل مثل الإسفنج للموجات الراديوية، حيث يمتص الطاقة ويشوه الإشارات. وغالباً ما يؤدي هذا التفاعل إلى فقدان الهوائي لقدرته على الإرسال بوضوح، وتقليل مداه، بل ويمكن أن يؤدي أيضاً إلى تسخين غير مرغوب فيه للجلد. ولجعل هذه الشبكات تعمل بأمان وفعالية، يحتاج المهندسون إلى هوائيات ليست مرنة بما يكفي لتنحني مع الجسم فحسب، بل ذكية أيضاً لتجاهل تداخل الجسم وتركيز طاقتها نحو الخارج.

لقد تصدى باحثان، فيجاياكوماري جي وأنالاكشمي تي، لهذا التحدي من خلال تصميم نوع جديد من الهوائيات القابلة للارتداء التي تظل صغيرة، ومرنة، وعالية الكفاءة حتى عند ضغطها على جلد الإنسان. يركز عملهما على تردد محدد تستخدمه العديد من الأجهزة الشائعة، مثل البلوتوث والواي فاي (Wi-Fi)، مما يضمن قدرة الهوائي الجديد على التواصل مع التكنولوجيا الموجودة. جوهر اختراعهما هو رقعة مسطحة صغيرة مصنوعة من مادة مرنة رقيقة تسمى "البولي إميد"، وهي مشابهة للبلاستيك المتين المستخدم في الإلكترونيات عالية الجودة. هذه الرقعة لا يتجاوز حجمها طابع بريدي، حيث تبلغ أبعادها 26 في 20 ملم فقط، وهي رقيقة للغاية بسمك 0.4 ملم. ولمنع امتصاص جسم الإنسان لإشارة الهوائي، وضعت المجموعة طبقة واقية خاصة خلفه. هذه الطبوة، المعروفة باسم هيكل الفجوة النطاقية الكهرومغناطيسية، تعمل مثل المرآة للموجات الراديوية، حيث تعكسها بعيداً عن الجسم وتجبرها على الإشعاع نحو الخارج حيث تبرز الحاجة إليها.

لم تكن عملية التصميم مجرد رسم شكل؛ بل تطلبت نهجاً متطوراً لإيجاد الأبعاد المثالية لمنحنيات الهوائي والفتحات. وبدلاً من الاعتماد فقط على عمليات المحاكاة التقليدية القائمة على التجربة والخطأ، والتي قد تستغرق وقتاً طويلاً، استخدم الباحثون طريقة حاسوبية هجينة تجمع بين تقنيتين قويتين للتحسين. تعتمد إحدى التقنيات على محاكاة الطريقة التي تبرد بها المعادن لتصل إلى حالة مستقرة، بينما تحاكي الأخرى كيفية بحث سرب من الطيور عن الطعام. ومن خلال دمج هذين الأسلوبين، تمكن الفريق من تحديد الهندسة الدقيقة التي ستعطي أفضل أداء بسرعة. وكانت النتيجة هوائياً يتميز بفتحة فريدة على شكل حرف (S) مقطوعة في سطحه، مما يساعده على ضبط نفسه بدقة على التردد المستهدف. وعند اختباره، حقق هذا التصميم خسارة عودة بلغت ناقص 53 ديسيبل، وهو رقم يشير إلى أن جميع الطاقة المرسلة إلى الهوائي تقريباً تُستخدم للإرسال بدلاً من أن تنعكس للخلف أو تضيع.

تم اختبار أداء هذا الهوائي الجديد بصرامة في كل من محاكاة الكمبيوتر والسيناريوهات الواقعية. وفي المحاكاة باستخدام نموذج رقمي مفصل لجسم الإنسان، أظهر الهوائي ذروة كسب بلغت 6.5 ديسيبل وكفاءة إشعاع بلغت 93 بالمائة، مما يعني أنه نجح في تحويل جميع طاقته المدخلة تقريباً إلى إشارة قابلة للاستخدام. والأهم من ذلك، أظهرت اختبارات السلامة أن معدل الامتصاص النوعي، وهو مقياس لكمية الطاقة التي يمتصها الجسم، كان منخفضاً للغاية. حيث كانت القراءات 0.0135 واط لكل كيلوغرام لكمية صغيرة من الأنسجة، و0.00229 واط لكل كيلوغرام لحجم أكبر، وهي قيم تقع ضمن الحدود الآمنة وتعد أقل بكثير مما تنتجه العديد من الهوائيات التقليدية. كما تحقق الباحثون من قدرة الهوائي على تحمل الإجهاد البدني؛ فحتى عند ثنيه، حافظ الجهاز على قدرته على التواصل بفعالية، مما يثبت ملاءمته للحركة المستمرة في الحياة اليومية.

ولإثبات نجاح المفهوم في إطار عملي، قامت المجموعة ببناء نموذج أولي ودمجه في نظام مصمم لمراقبة معدل ضربات القلب، ودرجة حرارة الجسم، والحركة. وقاموا بمقارنة هوائيهم الجديد بهوائي تقليدي قياسي يُستخدم في أجهزة مماثلة. وكانت النتائج مذهلة؛ فبينما حافظ الهوائي التقليدي على إشارة قوية حتى مسافة 300 متر تقريباً، حقق الهوائي المقترح قوة إشارة قوية بلغت -65 ديسيبل لمسافات تصل إلى كيلومتر واحد في إعدادهم التجريبي المحدد. وقد تم تحقيق هذا المدى الممتد دون زيادة استهلاك الطاقة، مما يجعله مثالياً لأجهزة مراقبة الصحة التي تعمل بالبطارية والتي تحتاج إلى الاستمرار لعدة أيام أو أساب้ำ. وتؤكد الدراسة أنه من خلال الجمع بين المواد المرنة والهياكل الكهرومغناطيسية المتقدمة والتحسين الذكي، يمكن إنشاء تكنولوجيا قابلة للارتداء تكون آمنة لجسم الإنسان وقوية بما يكفي لدعم اتصالات موثوقة وطويلة المدى.