Sviluppo di superfici intelligenti: UNISANNIO nel gruppo di ricerca internazionale

Un team di ricerca internazionale ha sviluppato una tecnologia innovativa in grado di cambiare profondamente il modo in cui operano le reti wireless. Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature Communications, introduce un nuovo approccio per integrare comunicazione wireless e rilevamento ambientale (sensing) in un unico sistema, grazie a una speciale superficie ingegnerizzata nota come “metasuperficie a codifica spazio-temporale”. Questo avanzamento potrebbe migliorare le reti mobili del futuro, ottimizzare i sistemi radar e rendere le infrastrutture urbane e industriali più intelligenti ed efficienti.

La ricerca è stata guidata dai professori Lei Zhang e Tie Jun Cui della Southeast University (Cina), in collaborazione con il professor Marco Di Renzo (Université Paris- Saclay, CNRS, CentraleSupélec, Francia, e King's College London, UK) e il professor Vincenzo Galdi dell’Università del Sannio. L’obiettivo principale dello studio è stato esplorare il potenziale delle metasuperfici per controllare i segnali wireless, consentendo loro di trasmettere informazioni e, al tempo stesso, rilevare oggetti e movimenti nell'ambiente circostante.

Con l’avvento della tecnologia wireless 6G, prevista per il 2030, le reti mobili subiranno una trasformazione radicale, con velocità di trasmissione fino a 100 volte superiori a quelle attuali, latenza ultra-bassa e supporto per una vasta gamma di applicazioni, tra cui l’Internet delle Cose (IoT), le città intelligenti e le esperienze avanzate di realtà aumentata e virtuale. In questo contesto, diventa fondamentale disporre di sistemi che non solo trasmettano dati, ma siano anche in grado di raccogliere informazioni sull’ambiente circostante.

Molte applicazioni emergenti richiedono questa capacità: le auto a guida autonoma devono rilevare ostacoli, le abitazioni intelligenti monitorano i movimenti, mentre l’industria 4.0 si basa su un controllo in tempo reale dei processi produttivi. Finora, comunicazione e rilevamento sono stati gestiti da dispositivi separati, aumentando costi e complessità. Questa ricerca supera tale limitazione, offrendo una soluzione integrata ed efficiente.

“Immaginate se il vostro router Wi-Fi non si limitasse a fornire accesso a Internet, ma potesse anche rilevare movimenti, misurare distanze e riconoscere oggetti all’interno di una stanza,” spiega il professor Marco Di Renzo. “Il nostro obiettivo è sviluppare reti wireless che non solo trasmettano dati, ma comprendano e interagiscano con il mondo circostante, creando un ‘ambiente radio intelligente’.”

Lo studio introduce una superficie riflettente innovativa che controlla dinamicamente il comportamento dei segnali wireless. Regolando in tempo reale l’interazione tra la superficie e i segnali, è possibile garantire comunicazioni affidabili e, contemporaneamente, generare segnali addizionali per il rilevamento ambientale. Il risultato è un dispositivo che combina comunicazione e sensing in tempo reale, eliminando la necessità di hardware aggiuntivo.

“Pensate a questa superficie come a uno specchio intelligente che non si limita a riflettere i segnali, ma li modifica attivamente,” spiega il professor Vincenzo Galdi. “Ogni elemento della superficie contiene diodi che possono essere attivati o disattivati per cambiare il comportamento delle onde elettromagnetiche. Questi diodi, controllati da un circuito integrato, rendono la risposta completamente programmabile. Cambiando rapidamente la loro accensione in configurazioni differenti, possiamo generare segnali aggiuntivi a varie frequenze e controllarne con precisione la direzione.”

Dopo una fase teorica e di simulazioni al computer, i ricercatori hanno realizzato un prototipo operante a 10.3 GHz, testato con successo in ambienti reali, sia interni che esterni. Il sistema può inoltre essere adattato a diverse frequenze per applicazioni specifiche.

“Quando un segnale colpisce la superficie intelligente, vengono generate sia la frequenza originale per la comunicazione sia frequenze armoniche aggiuntive per il rilevamento,” aggiunge il professor Lei Zhang. “Grazie a un algoritmo di intelligenza artificiale, il sistema è in grado di tracciare utenti in movimento e localizzare oggetti fissi, adattandosi dinamicamente all’ambiente. Integrando queste superfici intelligenti su pareti, facciate degli edifici e altre strutture, possiamo trasformare gli spazi in ambienti interattivi e reattivi. Inoltre, il sistema può bilanciare dinamicamente le funzionalità di comunicazione e rilevamento in base alle esigenze del contesto.”

La combinazione di comunicazione e rilevamento rappresenta uno dei cardini del 6G, migliorando l’efficienza spettrale e riducendo la necessità di hardware dedicato. Le potenziali applicazioni spaziano dai droni connessi ai sistemi di sicurezza domestica intelligenti, fino alla comunicazione tra auto a guida autonoma e infrastrutture stradali per garantire maggiore sicurezza. Anche in ambito sanitario, questa tecnologia potrebbe rivoluzionare il monitoraggio dei pazienti in modo non invasivo, senza necessità di telecamere o dispositivi indossabili.

“Questa ricerca rappresenta il risultato di anni di studio sui materiali per il controllo dei segnali wireless e sui nuovi paradigmi di comunicazione,” conclude il professor Tie Jun Cui. “La natura interdisciplinare del nostro team ha consentito un'integrazione efficace tra elettromagnetismo e teoria delle comunicazioni, aprendo la strada a nuove applicazioni nel settore. Guardando al futuro, ci concentreremo sul miglioramento dell'efficienza di queste superfici intelligenti, integrando l'intelligenza artificiale a livello di sistema e rafforzando la sicurezza per proteggere dati e comunicazioni da potenziali minacce”.d

Dal lato dell’Università del Sannio, la ricerca è stata finanziata in parte dal programma RESTART (RESearch and innovation on future Telecommunications systems and networks, to make Italy more smart), il più importante programma pubblico di ricerca e sviluppo mai realizzato in Italia nel settore delle telecomunicazioni. Finanziato dall’Unione Europea – NextGenerationEU nell’ambito del PNRR, il programma ha una dotazione di 116 milioni di euro e una durata di tre anni, a partire da gennaio 2023.

Contatti
Prof. Vincenzo Galdi, Fields & Waves Lab, Dipartimento di Ingegneria, Università del Sannio, Benevento

Email: vgaldi@unisannio.it

Per maggiori dettagli sulla ricerca, è possibile consultare l’articolo completo pubblicato su Nature Communications

Un video dimostrativo è disponibile al LINK