De izquierda a derecha: evolución de los sensores EHF con radar incorporado, fuente: Google AI
Las ondas milimétricas (MMW) o de frecuencias extremadamente altas (EHF) es un rango de ondas de radio con una longitud de onda de 10 mm a 1 mm, que corresponde a una frecuencia de 30 GHz a 300 GHz. Se utilizan en radares militares y policiales, escáneres de seguridad, terapia EHF para el tratamiento de muchas enfermedades, instrumentos astronómicos.
Pero ahora se acerca la era en que los radares de ondas milimétricas (mmWave, 60 GHz) están maduros para un uso comercial generalizado. Pronto se permitirá que se integren en los teléfonos inteligentes regulares. Esto abre posibilidades radicalmente nuevas para el uso de dispositivos portátiles: reconocimiento de gestos en automóviles, monitoreo remoto del sueño, seguimiento del movimiento de todas las personas en la oficina y mucho más.
Anteriormente, el uso de radar mmWave en productos electrónicos de consumo requería una aprobación especial de la FCC. Google fue el primero en recibirlo en 2018, luego Vayyar, Amazon y algunas otras empresas.
El 13 de julio de 2021, la FCC propuso abrir la banda de 60 GHz a aplicaciones comerciales de mmWave. La decisión dio luz verde a docenas de nuevas empresas y nuevos productos comerciales a los que se les permitió usar libremente radares EHF sin autorización especial de la FCC.
También apareció la posibilidad de una amplia aplicación de los radares EHF debido al progreso en la fabricación de RF CMOS.
RFCMOS
El chip RF CMOS (RF CMOS) o RFIC integra electrónica de radiofrecuencia (RF), analógica y digital. Recientemente, se ha hecho posible colocar radares, antenas y núcleos computacionales en el mismo chip, lo que hace posible producir sensores mmWave a un precio mucho más bajo.
El radar funciona transmitiendo ondas electromagnéticas y procesando las ondas de respuesta reflejadas por los objetos circundantes. La señal de 60 GHz tiene una longitud de onda de 5 mm, lo que permite que mmWave reciba información detallada sobre nosotros y nuestro entorno físico.
Por ejemplo, así es como se ve el resultado de procesar la señal EHF reflejada en un teléfono inteligente si una persona se acerca (izquierda), se aleja (centro) o hace un gesto con la mano (derecha).
Datos de radar EHF en un teléfono inteligente, fuente: Google AI
4D
En los microcircuitos EHF, generalmente hay varias antenas, por lo que el sensor recibe una imagen, por así decirlo, en cuatro dimensiones. Además de tres coordenadas, el sensor también captura la velocidad de cada punto reflejado. Obtenga más información sobre cómo funcionan los radares 4D aquí.
El siguiente diagrama compara cuatro tipos de sensores comunes: ultrasonido, cámara (2D), lidar (3D) y radar (4D). Como puedes ver, el radar es el único sensor que recibe información sobre la velocidad de un objeto.
Otra ventaja del radar es que puede ver a través del plástico y otros materiales. Esto lo convierte en una excelente opción para la electrónica de consumo, ya que se puede colocar debajo del cuerpo de cualquier dispositivo.
El radar es inmune a factores ambientales como la luz, la temperatura y el polvo, por lo que funciona muy bien en entornos donde el fotosensor es inútil. Al mismo tiempo, es extremadamente confiable, literalmente no hay nada que romper en el microcircuito: no hay partes móviles ni lentes.
El beneficio real de los radares mmWave surge cuando se integran en los sistemas de inteligencia artificial. Por ejemplo, el año pasado, investigadores de la Universidad Carnegie Mellon entrenaron una red neuronal que clasifica con precisión diferentes tipos de actividad a partir de datos de radar: agitar los brazos, ponerse en cuclillas, andar en bicicleta, aplaudir, lanzarse, saltar.
Radares EHF en electrodomésticos
El primer prototipo de un dispositivo comercial con radar incorporado fue mostrado por el estudio Google ATAP (Advanced Technology & Projects) en 2015. Fue un proyecto de reloj inteligente Google Soli desarrollado por un equipo dirigido por Ivan Popyrev (ver artículo en e).
En resumen, Project Soli es un radar en un chip en miniatura que se puede incrustar en cualquier objeto circundante: por ejemplo, un espejo, una estufa, un televisor. Cualquier objeto que interactúa con una persona. Ahora reconocerán los gestos de los dedos con una precisión de menos de 1 mm.
No hay necesidad de instalar cámaras voluminosas y equipos adicionales, especialmente porque ninguna cámara podrá rastrear movimientos a una frecuencia de 10,000 FPS, como lo hace Soli. Los gestos sin contacto se pueden usar para ampliar la interfaz de usuario de varios dispositivos.
En octubre de 2019, el radar Soli se incorporó al teléfono inteligente Pixel 4 (nombre comercial (Motion Sense), donde aceleró el proceso de desbloqueo facial junto con la compatibilidad con el reconocimiento de varios gestos básicos, como el control de la música. Pero desde entonces, el chip No se ha incluido Pixel en ningún smartphone. Probablemente, los desarrolladores decidieron trabajar en la aplicación de esta tecnología en los smartphones.
Además, en 2021, Google lanzó su pantalla inteligente Nest Hub de segunda generación con sensor de sueño.
Pantalla inteligente Nest Hub
La función Sleep Sensing utiliza el radar de Soli para monitorear el sueño de la persona junto a la pantalla en función de sus movimientos y respiración, todo sin una cámara o algún tipo de sensor portátil.Un desmontaje de este aparato de $60 reveló un chip de radar Infineon que cuesta $3.65.
Google Nest Hub (2.ª generación)
Amazon lanzó el timbre inteligente Ring Video Doorbell Pro 2 con un radar EHF incorporado a principios de 2021. La funcionalidad correspondiente para los consumidores se promociona como funciones de 'Detección de movimiento 3D' y 'Vista de pájaro'. El radar tiene menos falsos positivos y un rango más amplio que una cámara IR estándar. Además, ve a través de arbustos, árboles y otros obstáculos.
Amazon también ha seguido el ejemplo de Google al usar un radar EHF para monitorear la calidad del sueño.
Apple aún no ha lanzado nada con un radar incorporado, pero a principios de 2021 recibió una patente para un dispositivo con una matriz de antena de radar circular.
Basados en la tecnología mmWave, funcionan los dispositivos de monitoreo de oficina de próxima generación, que rastrean con precisión la ubicación de los empleados en la oficina en tiempo real.
Novelic, Arbe, Vayyar, Uhnder y Oculii, entre otros, están trabajando en radares EHF para automóviles.
La startup Miku ha desarrollado un monitor para bebés con un radar incorporado Miku Pro Smart Baby Monitor, que no solo captura al bebé en video, sino que también controla de forma remota la frecuencia respiratoria y la calidad del sueño.
La tecnología también se puede utilizar para la comunicación inalámbrica tanto en interiores como en exteriores. Todos los principales operadores celulares ahora están trabajando en la implementación de mmWave. También hay proyectos de terceros como Facebook Terragraph y la startup Aervivo.
El estándar WiGig (WiFi a una frecuencia de 60 GHz) se adoptó en 2009 y está ganando impulso gradualmente. Por ejemplo, Intel creó un adaptador inalámbrico para los auriculares Vive VR utilizando WiGig, que tiene una latencia casi nula y una velocidad de datos de 4,6 Gbps.
El último estándar WiFi combina técnicas de radar y comunicación para la detección inalámbrica con enrutadores WiFi. Es decir, el enrutador WiFi podrá rastrear de manera efectiva el movimiento de objetos alrededor del apartamento y reconocer gestos.
Como puede ver, el progreso en la producción de radares EHF y la decisión de la FCC de abrir el espectro de 60 GHz ayudó a que varios dispositivos con funcionalidades fundamentalmente nuevas entraran en el mercado. Aparentemente, mmWave es otra tecnología innovadora que afectará en gran medida las interfaces que nos rodean. Quizás en unas pocas décadas, el reconocimiento de gestos será una característica natural de muchos dispositivos y otros objetos circundantes.
Para promover el nuevo estándar y las API unificadas, Ripple Technology Alliance se formó en enero de 2022.
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