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

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ हमारे द्वारा पहने जाने वाले कपड़े केवल हमें ढकने से कहीं अधिक करते हैं; वे हमारे स्वास्थ्य की निगरानी करते हैं, हमारे स्थान को ट्रैक करते हैं, और बिना हमारे सोचे या प्रयास किए डॉक्टरों या परिवार के सदस्यों को महत्वपूर्ण डेटा भेजते हैं। यह वायरलेस बॉडी एरिया नेटवर्क का वादा है, एक ऐसी अवधारणा जहाँ छोटे, लचीले उपकरण सीधे मानव शरीर से जुड़े रहकर एक-दूसरे के साथ संचार करते हैं। हालाँकि, किसी व्यक्ति पर इलेक्ट्रॉनिक एंटीना लगाना उसे किसी धातु के डिब्बे या कंक्रीट की दीवार पर लगाने से कहीं अधिक कठिन है। मानव शरीर मुख्य रूप से पानी से बना है, जो रेडियो तरंगों के लिए एक स्पंज की तरह कार्य करता है, ऊर्जा को सोख लेता है और संकेतों को विकृत कर देता है। यह परस्पर क्रिया अक्सर एंटीना की स्पष्ट रूप से प्रसारित करने की क्षमता को कम कर देती है, इसकी रेंज घटा देती है, और यहाँ तक कि त्वचा के अवांछित गर्म होने का कारण भी बन सकती है। इन नेटवर्कों को सुरक्षित और प्रभावी ढंग से चलाने के लिए, इंजीनियरों को ऐसे एंटीना की आवश्यकता है जो न केवल शरीर के साथ मुड़ने के लिए पर्याप्त लचीले हों, बल्कि इतने स्मार्ट भी हों कि वे शरीर के हस्तक्षेप को अनदेखा कर सकें और अपनी ऊर्जा को बाहर की ओर केंद्रित कर सकें।

दो शोधकर्ताओं, विजयकुमारी जी और अन्नालक्ष्मी टी ने इस चुनौती से निपटने के लिए एक नए प्रकार के पहनने योग्य (वेयरेबल) एंटीना को डिजाइन किया है जो मानव त्वचा से चिपके रहने पर भी छोटा, लचीला और अत्यधिक कुशल बना रहता है। उनका कार्य एक विशिष्ट आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी) पर केंद्रित है जिसका उपयोग ब्लूटूथ और वाई-फाई जैसे कई सामान्य उपकरणों द्वारा किया जाता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि नया एंटीना मौजूदा तकनीक के साथ संवाद कर सके। उनके आविष्कार का मूल एक छोटा, चपटा पैच है जो पॉलीइमाइड नामक एक पतले, लचीले पदार्थ से बना है, जो उच्च श्रेणी के इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग किए जाने वाले टिकाऊ प्लास्टिक के समान है। यह पैच एक डाक टिकट से बड़ा नहीं है, जिसका माप 26 x 20 मिलीमीटर है, और यह 0.4 मिलीमीटर की अत्यंत सूक्ष्म मोटाई का है। एंटीना के सिग्नल को शरीर द्वारा निगल लिए जाने से रोकने के लिए, टीम ने इसके पीछे एक विशेष सुरक्षात्मक परत रखी। यह परत, जिसे इलेक्ट्रोमैग्नेटिक बैंड-गैप संरचना कहा जाता है, रेडियो तरंगों के लिए एक दर्पण की तरह कार्य करती है, उन्हें शरीर से दूर परावर्तित करती है और उन्हें बाहर की ओर प्रसारित करने के लिए मजबूर करती है जहाँ उनकी आवश्यकता है।

इस डिजाइन प्रक्रिया में केवल एक आकार बनाना ही शामिल नहीं था; इसके लिए एंटीना के घुमावों और स्लॉट्स के सटीक आयाम खोजने के लिए एक परिष्कृत दृष्टिकोण की आवश्यकता थी। केवल पारंपरिक 'ट्रायल-एंड-एरर' सिमुलेशन पर निर्भर रहने के बजाय, जो बहुत लंबा समय ले सकते हैं, शोधकर्ताओं ने एक हाइब्रिड कंप्यूटर पद्धति का उपयोग किया जो दो शक्तिशाली अनुकूलन (ऑप्टिमाइज़ेशन) तकनीकों को जोड़ती है। एक तकनीक इस बात की नकल करती है कि धातुएँ एक स्थिर अवस्था प्राप्त करने के लिए कैसे ठंडी होती हैं, जबकि दूसरी तकनीक इस बात का अनुकरण करती है कि पक्षियों का झुंड भोजन की तलाश कैसे करता है। इन दोनों विधियों को मिलाकर, टीम तेजी से उस सटीक ज्यामिति (जियोमेट्री) का पता लगाने में सक्षम हुई जो सर्वोत्तम प्रदर्शन प्रदान करेगी। परिणाम स्वरूप एक अनूठा S-आकार का स्लॉट मिला जो इसकी सतह पर कटा हुआ है, जो इसे लक्षित आवृत्ति के लिए सटीक रूप से ट्यून करने में मदद करता है। परीक्षण के दौरान, इस डिजाइन ने -53 डेसिबल का रिटर्न लॉस प्राप्त किया, जो एक ऐसा आंकड़ा है जो यह दर्शाता है कि एंटीना को भेजी गई लगभग पूरी ऊर्जा का उपयोग प्रसारण के लिए किया जा रहा है, न कि वापस परावर्तित होने या बर्बाद होने के लिए।

इस नए एंटीना के प्रदर्शन का कंप्यूटर सिमुलेशन और वास्तविक दुनिया के परिदृश्यों दोनों में कड़ाई से परीक्षण किया गया। मानव शरीर के विस्तृत डिजिटल मॉडल का उपयोग करने वाले सिमुलेशन में, एंटीना ने 6.5 डेसिबल का पीक गेन और 93 प्रतिशत की रेडिएशन दक्षता प्रदर्शित की, जिसका अर्थ है कि इसने सफलतापूर्वक अपनी लगभग पूरी इनपुट पावर को एक उपयोगी सिग्नल में बदल दिया। महत्वपूर्ण रूप से, सुरक्षा परीक्षणों ने दिखाया कि विशिष्ट अवशोषण दर (एसएआर), जो यह मापता है कि शरीर कितनी ऊर्जा सोखता है, अत्यंत कम थी। रीडिंग ऊतक (टिश्यू) की एक छोटी मात्रा के लिए 0.0135 वॉट प्रति किलोग्राम और एक बड़े आयतन के लिए 0.00229 वॉट प्रति किलोग्राम थी, जो सुरक्षित सीमाओं के भीतर है और कई पारंपरिक एंटीना की तुलना में काफी कम है। शोधकर्ताओं ने यह भी सत्यापित किया कि एंटीना शारीरिक तनाव को सह सकता है; मुड़ने के बावजूद, डिवाइस ने प्रभावी ढंग से संवाद करने की अपनी क्षमता बनाए रखी, जिससे दैनिक जीवन की निरंतर हलचल के लिए इसकी उपयुक्तता सिद्ध हुई।

यह सिद्ध करने के लिए कि यह अवधारणा व्यावहारिक सेटिंग में काम करती है, टीम ने एक प्रोटोटाइप बनाया और इसे हृदय गति, शरीर के तापमान और गति की निगरानी के लिए डिज़ाइन किए गए सिस्टम में एकीकृत किया। उन्होंने अपने नए एंटीना की तुलना समान उपकरणों में उपयोग किए जाने वाले एक मानक, पारंपरिक एंटीना से की। परिणाम आश्चर्यजनक थे। जबकि पारंपरिक एंटीना लगभग 300 मीटर तक मजबूत सिग्नल बनाए रखता था, प्रस्तावित एंटीना ने अपने विशिष्ट प्रयोगात्मक सेटअप में 1 किलोमीटर तक की दूरी तक -65 dB की मजबूत सिग्नल स्ट्रेंथ प्राप्त की। यह विस्तारित रेंज बिना बिजली की खपत बढ़ाए हासिल की गई, जो इसे बैटरी से चलने वाले स्वास्थ्य मॉनिटरों के लिए आदर्श बनाती है जिन्हें दिनों या हफ्तों तक चलने की आवश्यकता होती है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि लचीली सामग्रियों को उन्नत इलेक्ट्रोमैग्नेटिक संरचनाओं और स्मार्ट अनुकूलन के साथ जोड़कर, ऐसी पहनने योग्य तकनीक बनाना संभव है जो मानव शरीर के लिए सुरक्षित भी है और विश्वसनीय, लंबी दूरी के संचार का समर्थन करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली भी है।