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Mikroantennen für Gehirn-Computer-Schnittstelle

29.08.2017

Wissenschaftler der Northeastern University in Boston (USA) unter der Leitung des Ingenieurs und Materialwissenschaftlers Nian Sun haben Mikroantennen entwickelt, die um mehrere Größenordnungen kleiner und effizienter sind als herkömmliche Antennen.

Antennen empfangen Informationen in Form von elektromagnetischen Wellen, die sie in elektrische Wechselspannung umwandeln. Dazu muss die Größe der Antenne nach physikalischen Gesetzen etwa der Länge der elektromagnetischen Welle entsprechen, also recht groß sein. Andererseits kann die Antenne auch als Reaktion auf akustische Wellen derselben Frequenz, die viel kürzer sind, in Resonanz treten. Dieses „Schlupfloch“ nutzten Sun und seine Kollegen.

Die von ihnen erfundene Antenne ist außen mit einer Schicht aus piezomagnetischem Material beschichtet, das sich je nach Zustand des Magnetfelds ausdehnt und zusammenzieht. So übersetzt er elektromagnetische Schwingungen in Klang. Dann übersetzt die nächste Schicht aus piezoelektrischem Material diese Schwingungen in einen elektrischen Wechselstrom. Beim Senden eines Signals geschieht alles in umgekehrter Reihenfolge. Somit empfängt und sendet die Antenne tatsächlich Schallschwingungen - und kann daher etwa 1000-mal kleiner sein als eine herkömmliche.

Die Autoren des Artikels haben auf der Grundlage dieses Prinzips zwei Arten von Antennen entwickelt. Die erste mit runder Membran arbeitet im Gigahertz-Bereich, der unter anderem von der WLAN-Technologie genutzt wird. Die zweite mit rechteckiger Membran ist für den Megahertz-Bereich von TV und Radio vorgesehen. In Experimenten mit neuen Antennen haben sie ein Signal mit einer Frequenz von 2,5 GHz empfangen und gesendet, das etwa 100 Mal effizienter ist als herkömmliche Antennen.

Laut dem Hauptautor der Studie bestand die größte Designherausforderung darin, ein piezomagnetisches Material mit den richtigen Eigenschaften zu finden – am Ende wurde eine Kombination aus Eisen, Gallium und Bor ausgewählt – und es in der richtigen Qualität herzustellen.

Die Entwicklung kann zumindest den Weg für die Schaffung kompakterer und leistungsfähigerer Geräte ebnen - von Mobiltelefonen bis hin zu Satelliten. Zukünftig ist es auch möglich, neue Miniatursender im sich rasant entwickelnden „Internet der Dinge“ einzusetzen. Breite Perspektiven eröffnen sich für die Medizin: Miniatursender werden jedes Gewebe oder Gefäß durchdringen können, um an Ort und Stelle Daten aufzunehmen und an den Arzt zu senden. Theoretisch sind auch Gehirnimplantate möglich, um eine Gehirn-Computer-Schnittstelle zu schaffen – damit wir die Dinge direkt mit der Kraft der Gedanken steuern können.

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