ندا اظهری، مترجم:درحالی‌که بسیاری از کشورهای دنیا هنوز به فناوری بی‌سیم 5G مجهز نشده‌اند، محققان دنیا کار روی نسل بعدی اینترنت یعنی 6G را نیز کلید زده‌اند. با توجه به اینکه درحال حاضر بخش قابل‌توجهی از کارها با اینترنت انجام می‌شود و کند شدن آن حتی برای چند ثانیه می‌تواند در کارها ایجاد اختلال کند، محققان تلاش کرده‌اند سیستم‌های ارتباطی جدیدی را طراحی کنند که این معضل را از پیش رو بردارند و اینترنت‌های پرسرعت‌تر را در اختیار کاربران در دنیا قرار دهند. اینترنت 5G درحال حاضر پرسرعت‌ترین سیستم ارتباط است که می‌تواند داده‌ها را با سرعت بسیار بالایی منتقل کند اما بشر باز هم به این سرعت قانع نیست و به دنبال سرعت‌های بسیار بیشتری برای انتقال اطلاعات می‌گردد به همین دلیل هنوز چند سالی بیشتر از عمر 5G در دنیا نمی‌گذرد که به فکر راه‌اندازی اینترنت نسل 6 هستند. 

  طراحی شبکه‌های ارتباطی سریع‌تر
یکی از امیدبخش‌ترین پیشرفت‌هایی که در ارتباطات 6G مطرح شده، امکان استفاده از «ارتباطات نور مرئی» (VLC) در برقراری ارتباط است که نسخه بی‌سیمی از فیبرنوری است که از فلش‌های نور برای انتقال اطلاعات استفاده می‌کند. فناوری‌های بی‌سیم تنها با چند دستگاه خاص، دنیای فیزیکی متصل به اینترنت را دگرگون کرده‌اند. با راه‌اندازی اینترنت 5G و پس از آن 6G که سرعت ارتباطی بسیار بالایی دارند، بسیاری از کارها با سرعت بیشتری پیش می‌روند. سیستم‌های ارتباطی VLC که به نرخ بالای داده‌ها دسترسی داشته و تداخلی در طیف RF ایجاد نمی‌کند، یکی از مهم‌ترین کاندیدها برای نسل آینده شبکه‌های اینترنت 6G به شمار می‌روند از این رو محققان تلاش می‌کنند تا حد امکان سرعت انتقال اطلاعات و محدوده سیستم‌های VLC را در این شبکه افزایش دهند. در این راستا، گروهی از محققان و دانشمندان دانشگاه «ماساچوست امهرست» موفق به ابداع روشی نوآورانه برای بهره‌برداری از اتلاف انرژی از VLC با استفاده از بدن انسان به‌عنوان آنتن شده‌اند. این اتلاف انرژی را می‌توان به نیروی دستگاه‌های پوشیدنی و هوشمند یا حتی وسایل الکترونیک بزرگ‌تر بازیافت کرد. 

  10 برابر انرژی بیشتر با دستبندهای سیم‌پیچی
در «ارتباطات نور مرئی» (VLC) می‌توان به جای استفاده از سیگنال‌های رادیویی برای ارسال اطلاعات به شکل بی‌سیم، از نور LEDها که بیش از یک میلیون بار در ثانیه خاموش و روشن می‌شود، استفاده کرد. از نکات مثبت VLC این است که زیرساخت‌های آن در هرجایی مانند منازل مسکونی، وسایل نقلیه، نورهای خیابانی و اداره‌هایی که مجهز به حباب‌های نور LED هستند، وجود دارند که قادر به انتقال داده‌ها هستند. هر چیزی مانند دوربین، گوشی هوشمند، تبلت یا لپ‌تاپ در مقابل VLC می‌توانند به‌عنوان یک گیرنده به کار روند. مطالعات اخیر نشان می‌دهد که فرستنده VLC نه‌تنها سیگنال‌های نور مرئی را ساطع می‌کند، بلکه سیگنال‌های RF (فرکانس رادیویی) را در طول فرآیند انتقال آزاد می‌کنند. محققان این دانشگاه، مطالعات خود را صرف دریافت و بهره‌برداری از انرژی آزاد RF از انتقال VLC می‌کنند. مشاهدات بیانگر آن است که اشیاء اطراف می‌توانند به یک آنتن سیم‌پیچ کمک کنند تا انرژی RF را به میزان قابل‌توجهی بهره‌برداری کند. براین اساس، محققان نام این سیستم را Bracelet+ گذاشتند که بدن انسان را در سیستم بهره‌برداری از انرژی و افزایش استفاده از این انرژی درگیر می‌کند. آنها بعد از بررسی دقیق تاثیر بدن انسان روی قدرت بهره‌برداری از انرژی، از آنتن سیم‌پیچی به‌عنوان دستبند استفاده کردند که هم از نیروی بالایی بهره برده و هم کاربر راحت‌تر می‌تواند از این دستبندها استفاده کند. متوسط نیرویی که انرژی RF با این طرح جمع‌آوری شده 10 برابر بزرگ‌تر از آنتن سیم‌پیچ معمولی است بدون این‌که هیچ گونه تداخلی در ارتباط سیستم‌های VLC ایجاد کند. انرژی جمع‌آوری‌شده در موارد آزمایشی تا حد میکرو- وات رسیده است. انرژی‌های جمع‌آوری‌شده تا حد میکرو – وات قابلیت تامین انرژی برای حسگرهایی بسیار کم‌مصرف را مانند حسگرهای حرارتی و حسگرهای گلوکزی تامین می‌کنند. 
محققان دریافتند که در فرآیند انتقال VLC، فرستنده VLC نه‌تنها سیگنال‌های نور مرئی بلکه سیگنال‌های فرکانس رادویی (RF) را هم ساطع می‌کند. این به این دلیل است که VLC از شدت نوسان‌های ایجادشده برای رمزگذاری داده‌ها استفاده کرده و شدت سیگنال با روشن و خاموش کردن سریع جریان الکتریکی کنترل می‌شود. از نشت RF برای ردیابی انتقال VLC از طریق دیوارها و افزایش استحکام VLC در برابر انسداد و تداخل نور محیط مورد استفاده قرار می‌گیرد. محققان این نشت RF را نوعی اتلاف انرژی قلمداد می‌کنند. با بالاتر رفتن سرعت VLC، این اتلاف انرژی هم افزایش می‌یابد. این بدان معناست که سرعت بالاتر داده‌های VLC به این معناست که LED باید در فرکانس بالاتری روشن و خاموش شود. در آزمایش‌های انجام‌شده، زمانی که سرعت روشن و خاموش شدن تا 10 برابر افزایش می‌یابد، میزان اتلاف انرژی هم تا 20 برابر رشد می‌کند. یکی از موثرترین راه‌ها برای مقابله با این مقدار اتلاف انرژی، مهار انرژی سیگنال‌های نوری ساطع‌شده از سیستم‌های VLC است. به دلیل ماهیت متفاوتی که نور در برابر RF دارد، سیستم‌های VLC موجود کارایی لازم را ندارند. علاوه‌براین، سیگنال RF نشت کرده، الگوی منحصربه‌فردی را با توجه به تغییر فرکانس‌های مرکزی نشان می‌دهد که نسبت به دیگر سیگنال‌های RF که در سیستم‌های تجاری شارژی بی‌سیم متفاوت است. بنابراین استفاده از مهارکننده‌های RF تجاری موجود برای دریافت انرژی RF نشت‌شده از سیستم‌های VLC برای آن ناکارآمد است. از آنجایی که بیشتر سیستم‌های VLC را در فرکانس‌هایی در مقیاس چند مگاهرتز تا ده‌ها مگاهرتز روشن و خاموش می‌کنند، سیگنال RF نشت‌شده، یک سیگنال RF فرکانس پایین است. در سیستم‌های ارتباطی، آنتن سیم‌پیچی‌شده معمولا در دریافت سیگنال‌های RF در این محدوده فرکانسی مورد استفاده قرار می‌گیرد. 

  دستبند کوچک 50 سنتی اما حساس
محققان با در نظر گرفتن تمام این نکات، موفق به طراحی نمونه اولیه Bracelet+ به‌عنوان نخستین طراحی آنتن دستبندی متناسب با بدن انسان شدند که می‌تواند قابلیت مهار انرژی را در جذب انرژی نشت کرده از سیستم‌های VLC تقویت کند. این دستبند طراحی‌شده با اندازه کوچکی که دارد ارزان‌قیمت بوده و کمتر از 50 سنت است و کاربران به‌راحتی می‌توانند از آن استفاده کنند. این دستبند قادر است 10 برابر انرژی بیشتری از سیستم VLC در مقایسه با طرح آنتن سیم‌پیچی معمولی استفاده کند. قدرت این دستبند با رسیدن به میکرو- وات از بسیاری از حسگرها از قبیل حسگرهای کنترل سلامت حمایت می‌کنند. این حسگرها به دلیل فرکانس نمونه‌برداری کم و طولانی‌مدت در حالت خواب تنها به نیروی کمی برای کار نیاز دارند. درواقع، Bracelet+ طراحی مستقلی دارد که بر ارتباطات داده VLC یا روشنایی نور تاثیر نمی‌گذارد. در فرآیند انتقال VLC، فرستنده آن نه‌تنها به‌طور فعال انرژی نوری را ساطع می‌کند بلکه به‌طور غیرفعال انرژی RF را به محیط اطراف نشت می‌دهد. زمانی که فرستنده VLC سیگنال‌های نوری ساطع می‌کند، تغییر فعلی سریع در خط نیروی این فرستنده، شارژ مغناطیسی سریع و درحال تغییری را ایجاد می‌کند که درنهایت باعث نشت RF می‌شود. 

  بدن انسان؛ مهارکننده قوی انرژی
از اشیایی که اطراف ما وجود دارند می‌توان برای بهبود مهار انرژی استفاده کرد و این اشیا باید از ماده‌ای ساخته شده باشند که نفوذپذیری نسبتا بالایی داشته باشند. محققان سیم‌پیچ را روی دیوارها، وسایل الکترونیکی مانند گوشی‌های هوشمند و لپ‌تاپ و بدن انسان قرار دادند و نتایج آن را بررسی کردند. طبق این تحقیقات هر‌چه ضخامت دیوارها بیشتر باشد، بهبود بیشتری از خود نشان می‌دهد. دلیل آن هم این است که اشیای ضخیم‌تر انرژی RF نشت‌کرده بیشتری را جذب می‌کنند. فارغ از ضخامت دیوار به‌دلیل بتنی‌بودن دیوارها که نفوذپذیری کمی دارند، این بهبود خیلی چشمگیر نیست. وسایل الکترونیکی مانند گوشی‌های هوشمند، آی‌پدها و لپ‌تاپ‌ها در مقایسه با دیوارها عملکرد بهتری دارند. همچنین حالت خاموش و روشن این دستگاه‌ها نیز در بهبود عملکرد تاثیر دارد. محققان اعلام کردند که مهار انرژی زمانی که سیم‌پیچ در تماس مستقیم با بدن انسان قرار می‌گیرد، به حداکثر خود می‌رسد. از آنجایی که در بسیاری از بافت‌های بدن مواد دی‌الکتریک وجود دارد، بدن انسان می‌تواند به افزایش مهار انرژی کمک کند. بنابراین استفاده از بدن انسان برای کمک به مهار انرژی RF نشت‌شده از سیستم‌های VLC هیچ مشکلی برای سلامتی ایجاد نمی‌کند. این سیم‌پیچ را می‌توان به‌صورت انگشتر یا دستبند طراحی کرد تا کاربران بتوانند به‌راحتی از آن استفاده کنند. محققان و سازندگان این دستبند مدعی شده‌اند که این مهار انرژی هیچ‌گونه خطری برای سلامتی کاربران ندارد. حداکثر توان RF در آزمایش‌ها پایین‌تر از حد آستانه است، بنابراین تمام آزمایش‌های انجام‌شده حاکی از بی‌خطر بودن این فرکانس‌ها برای سلامتی کاربران است. 

  چرا طراحی سیم‌پیچی؟
محققان بدن انسان را برای بهبود عملکرد مهار انرژی انتخاب کرده‌اند. با وجود این طراحی فعلی سیم‌پیچی با «هسته فریت» (نوعی هسته مغناطیسی) برای استفاده افراد خیلی خوشایند نیست. در‌عین‌حال حذف این هسته به‌طور قابل توجهی عملکرد مهار انرژی را کاهش می‌دهد. محققان با تعداد دورهای سیم‌پیچ مختلف این عملکرد را روی بدن انسان آزمایش کردند و درنهایت به این نتیجه رسیدند که 15 دور سیم‌پیچ مناسب‌ترین مدل برای مهار انرژی به‌شمار می‌رود. اما بررسی‌ها نشان می‌دهد که عملکرد سیم‌پیچ در مهار انرژی در مقایسه با هسته فریت چشمگیرتر است و تنها نمی‌توان تعداد دور سیم‌پیچ‌ها را معیار خوبی برای عملکرد بهتر مهار انرژی تلقی کرد. میانگین توان سیگنال‌های دریافتی با سیم‌پیچ‌ها نشان می‌دهد که قسمت‌های مختلف بدن عملکرد متفاوتی در مهار انرژی دارند و زمانی که سطح مقطع سیم‌پیچ بزرگ‌تر می‌شود، عملکرد بهتری دارد. استفاده از سیم‌پیچ روی کمر یا ناحیه ران خیلی ناخوشایند نیست، اما استفاده از آن روی ناحیه مچ‌دست راحت‌تر است، از این رو محققان طرح سیم‌پیچ دستبندی را انتخاب کرده‌اند تا بین عملکرد مهار انرژی و راحتی استفاده برای کاربران در این دستگاه تعادل برقرار کنند. این‌گونه بود که محققان دانشگاه ماساچوست امهرست، دستبند ساده سیم‌پیچی شده از جنس مس را طراحی کردند که در بالای ساعت دست ‌بسته می‌شود. این در‌حالی است که طراحی‌های دیگری هم مانند حلقه، کمربند، گردنبند نیز برای آن در‌نظر گرفته شده بود که هر‌کدام از آنها مهار انرژی قابل‌قبولی را طبق طراحی محققان ارائه می‌دادند. 

آنتن‌های مختلف دریافت‌کننده
محققان همچنین تاثیر داده‌های انتقال‌یافته را بر عملکرد مهار انرژی بررسی کردند. نتایج به‌دست آمده نشان می‌دهد داده‌های انتقال‌یافته بر نشت انرژی تاثیر داشته است. به‌عنوان مثال، انتقال فناوری 6G در مقایسه با فناوری‌های فعلی، 50 درصد انرژی RF بیشتری نشت می‌دهد. تعداد پالس‌های RF به‌دلیل ترکیبات مضاعف برای داده‌های گوناگون متفاوت است. با وجود این، صرف‌نظر از داده‌های ارسال شده هر «بیت» داده می‌تواند حداقل یک پالس RF را القا کرده و باعث نشت انرژی RF شود. به‌دلیل مقاومت بالای الکتریکی بدن انسان، انرژی مهار شده در قسمت‌های مختلف بدن به‌راحتی نمی‌تواند با یک آنتن واحد دستبندی داده‌ها را منتقل کند. بنابراین، محققان به‌دنبال مهار انرژی بیشتر با استفاده بیش از یک آنتن سیم‌پیچی‌شده هستند. از این رو در‌کنار آنتن دستبندی، یک آنتن حلقه‌ای را هم طراحی کرده‌اند. درواقع آنها 9 روش پوشش آنتنی را مورد ارزیابی قرار دادند و از دستبند و حلقه انگشتی به‌صورت تک یا ترکیبی در یک یا هر دو دست استفاده کردند. نتایج به‌دست‌آمده نشان داد که استفاده از چند آنتن به‌طور همزمان عملکرد مهار انرژی را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد. اما این بهبود عملکرد زمانی که هر دو آنتن روی یک دست قرار داشته باشد، به‌خوبی عمل نمی‌کند. در این شرایط استفاده از یکی از آنتن‌ها برای بهبود مهار انرژی کارآمدتر خواهد بود. استفاده دو کاربر به‌طور همزمان از دو آنتن هم خیلی درنتیجه کار تاثیرگذار نیست و عملکرد یک آنتن در یک کاربر روی عملکرد آنتن کاربر دیگر نقشی ندارد.