تصميم وتطوير هوائي MIMO قائم على الجرافين لتطبيقات الاتصالات القابلة للارتداء متعددة النطاقات الذكية تحت 6 غيغاهرتز لشبكات 5G

ملابس ذكية تتحدث

تخيل قميصًا يمكنه الاتصال بهدوء بشبكات 5G عالية السرعة، أو مراقبة صحتك، أو ربط أجهزتك معًا — وكل ذلك دون أجزاء معدنية صلبة تضغط على الجلد. تصف هذه الدراسة نوعًا جديدًا من أجهزة الراديو الصغيرة المبنية مباشرة على قماش الجينز باستخدام الجرافين، وهو شكل من الكربون يتميز بتوصيلية عالية ومرونة فائقة. تُظهر الدراسة كيف يمكن لمثل هذا الهوائي القاعدي على النسيج أن يتعامل مع عدة نطاقات لاسلكية مهمة في نفس الوقت مع البقاء آمناً ومريحاً للارتداء.

من المعادن الصلبة إلى الكربون الطري

عادةً ما تُصنع الهوائيات التقليدية في الهواتف والأجهزة القابلة للارتداء من النحاس. وفي حين ينقل النحاس الكهرباء جيدًا، فهو صلب نسبيًا وقد يتشقق عند طيه مرارًا، كما يثير مخاوف حول التكلفة والأثر البيئي. بالنسبة للملابس والأجهزة المرتدى على الجسم، قد تشعر هذه الأجزاء المعدنية الصلبة بعدم الراحة وقد لا تؤدي أداءً جيدًا عندما ينطوي القماش أو يتمدد. يقدم الجرافين، المصنوع من صفائح كربونية رقيقة كسبيكة ذرية، نهجًا مختلفًا: فهو خفيف ومرن ويمكن طباعته كحبر على الأنسجة، محولًا القماش العادي إلى سطح ذكي قادر على إرسال واستقبال الإشارات اللاسلكية.

تحويل الجينز إلى بوابة 5G

في هذا العمل، طبع الباحثون زوجًا من الهوائيات الصغيرة على قطعة من قماش الجينز، مكونين وحدة "MIMO" ذات منفذين — أي هوائيين متعاونين يحسنان السرعة والموثوقية. يعمل الدنيم كطبقة دعم، اختير لأنه متين ومريح وله تأثير منخفض على الموجات الراديوية. من خلال تشكيل الجرافين بعناية على هيئة رقع حلقية وإضافة فتحة بشكل رقم ثمانية في الطبقة الموصلة الخلفية، ضبط الفريق التصميم للعمل في عدة نطاقات ترددية مميزة. وتشمل هذه نطاقات تحت 6 غيغاهرتز الرئيسية المستخدمة في العديد من شبكات 5G، وكذلك نطاقات أعلى في ما يُسمى نطاق X التي قد تدعم روابط قصيرة المدى ووظائف استشعار مستقبلية. الجهاز بأكمله بحجم طابع بريدي تقريبًا وسُمكه نصف مليمتر فقط.

كيف يوفر التصميم قنوات متعددة

بدلاً من الاعتماد على نطاق واحد عريض وغير محدد، صُمم الهوائي بحيث تتشكل التيارات الكهربائية أنماطًا مختلفة طبيعيًا عند ترددات مختلفة. بدءًا من رقعة دائرية بسيطة، انتقل المصممون إلى شكل حلقة، ثم كرروها لإنشاء نظام ذي عنصرين، وأخيرًا نقشوا فتحة رقم ثمانية في مستوى الأرضي. كل تغيير أعاد تشكيل تدفق التيارات، منتجًا عدة نطاقات تشغيل منفصلة جيدًا بدلًا من ضباب واحد عريض. أظهرت القياسات أداءً قويًا عند أربع رنينات رئيسية تقريبًا حول 3.5 و5.6 و8.4 و12.9 غيغاهرتز، مع تداخل منخفض بين عنصرَي الهوائي. هذا التأثير المتبادل المنخفض، إلى جانب توزيع متساوٍ لقدرة الإشارة، أمر جوهري لعمل MIMO موثوق في بيئات لاسلكية مزدحمة.

الطباعة والارتداء والاختبار على الجسم

لبناء الجهاز، استخدم الفريق عملية طباعة بالشاشة مماثلة لكيفية وضع الرسومات على القمصان، لكن بحبر الجرافين بدلاً من الأصباغ الملونة. بعد معالجة الحبر بالحرارة وإرفاق موصلات صغيرة، قاسوا الهوائي في الهواء الطلق ومباشرة على صدر شخص. تغير الاستجابة قليلاً فقط عند الارتداء، ولا يزال الهوائي يغطي نطاقات 5G والنطاقات الأعلى المقصودة. أظهرت اختبارات نمط الإشعاع في حجرة معاكسة للصدى تغطية شبه متجانسة عند الترددات المنخفضة، مثالية للروابط التي يجب أن تعمل حتى مع تحرك المرتدي، مع أنماط أكثر تعقيدًا عند الترددات الأعلى التي تظل قابلة للاستخدام لتطبيقات متخصصة.

التحقق من السلامة داخل الجسم

بما أن هذه الهوائيات توضع مباشرة على الملابس مقابل الجلد، درس الباحثون بعناية مقدار الطاقة الراديوية التي تمتصها الجسم. باستخدام نماذج حاسوبية للأنسجة الطبقية — الجلد والدهون والعضلات — حسبوا معدل الامتصاص النوعي (SAR)، وهو مقياس قياسي لمدى تحويل القدرة لكل كيلوغرام من النسيج إلى حرارة. في جميع نطاقات التشغيل، بما في ذلك نطاقات 5G الرئيسية، ظلت قيم SAR القصوى أقل بكثير من الحدود الدولية للسلامة حتى عند طاقة بث مرتفعة نسبيًا. عند الترددات المنخفضة، انتشرت الطاقة بشكل أعمق لكنها بقيت متواضعة؛ أما عند الترددات الأعلى فبقيت أقرب إلى السطح، مما يقلل المزيد من التعرض الداخلي.

ماذا يعني هذا للأجهزة القابلة للارتداء في الحياة اليومية

ببساطة، تُظهر الدراسة أن قطعة رقيقة من قماش الجينز المطبوعة بالجرافين يمكن أن تعمل كنظام هوائي متعدد القنوات جاهز لـ 5G ينحني ويتحرك مع الجسم مع البقاء ضمن إرشادات السلامة الصارمة. من خلال الجمع بين النسيج المرن والموصلات القائمة على الكربون وتخطيط مصقول بعناية، يشير التصميم إلى ملابس مستقبلية تتعامل بسلاسة مع الاتصالات للأجهزة المحمولة وأجهزة الاستشعار والأجهزة الطبية. بدلاً من ارتداء أجهزة صلبة، قد يرتدي الناس يومًا ما اتصالهم المنسوج مباشرة في ملابسهم اليومية.

الاستشهاد: Al-Gburi, A.J.A., Mohammed, N.J., Saeidi, T. et al. Design and development of a graphene-based MIMO antenna for smart multi-band sub-6 GHz 5G wearable communication applications. Sci Rep 16, 12873 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42793-5

الكلمات المفتاحية: هوائيات قابلة للارتداء, إلكترونيات الجرافين, اتصالات 5G, أنسجة ذكية, الاتصالات اللاسلكية المرتكزة على الجسم