無線“心靈交流”！崔鐵軍院士領(lǐng)銜研發(fā)新型腦機(jī)超表面

近年來，可編程超表面（coding metasurfaces）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁功能的實(shí)時(shí)和可編程控制，而以往的電磁功能要么是靜態(tài)的，要么是在傳統(tǒng)的被動(dòng)設(shè)備中非常有限。但是，這類超表面依然需要人工操作。

為了直接檢測(cè)和區(qū)分人的意愿，科學(xué)家們隨后提出了腦機(jī)接口（brain-computer interface，BCI）的概念，試圖通過腦機(jī)接口來建立腦與設(shè)備之間的通信，為可編程超表面的控制提供了新的視角。通過從“特殊的帽子”收集大腦信號(hào)，腦機(jī)接口可以解碼操作員的意愿，并向被控制對(duì)象發(fā)送命令，而不需要操作員進(jìn)行一些復(fù)雜的肌肉活動(dòng)。

如今，東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華南理工大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)更進(jìn)一步，開發(fā)出了一種電磁腦機(jī)超表面（electromagnetic brain-computer-metasurface，EBCM）。

據(jù)介紹，這種超表面能夠靈活、無創(chuàng)地控制信息合成和無線傳輸，將操作者的大腦信息轉(zhuǎn)化為腦電圖（EEG）信號(hào)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為各種電磁（EM）指令，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)操作者之間的無線“心靈交流”。

如下圖，操作人員面前放置著顯示相關(guān)命令的顯示器。只需要接收簡(jiǎn)單的指令，EBCM 就能理解操作人員的意圖，就可以實(shí)現(xiàn)視束掃描（visual-beam scanning）、波浪調(diào)制（wave modulations）、模式編碼（pattern encoding）等電磁功能。

圖｜EBCM 的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)（來源：eLight）

相關(guān)研究論文以“Directly wireless communication of human minds via non-invasive brain-computer-metasurface platform”為題，發(fā)表在科學(xué)期刊 eLight 上。

研究人員表示，此次研究將電磁波空間與腦機(jī)接口結(jié)合，為超表面、人腦智能與人工智能的深度融合的探索開辟了新的方向，有助于構(gòu)建出新一代生物智能超表面系統(tǒng)。

用意念輸出“HELLO”

在此次研究中，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)演示了基于 EBCM 的無線文本通信。

研究團(tuán)隊(duì)為腦機(jī)接口操作者提供了文本圖形用戶界面（GUI），使得可視按鈕可以直接被編碼為由“0”和“1”組成的特定編碼序列。

在實(shí)驗(yàn)中，采用高增益的單波束模式和低增益的隨機(jī)散射模式區(qū)分超表面反射的振幅，分別對(duì)應(yīng)于用于無線信息傳輸?shù)木幋a“1”（高振幅）和“0”（低振幅）。

作為原型的演示，研究人員演示了文本在 EBCM 通信系統(tǒng)中從一個(gè)操作員到另一個(gè)操作員的無線傳輸。

操作員 A 作為文本發(fā)送者，通過可視地查看 EBCM GUI 上的字符按鈕發(fā)送字母。當(dāng)從腦電圖信號(hào)解碼目標(biāo)字母時(shí)，在 FPGA 上實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于 ASCII 的編碼序列，以切換時(shí)變模式，操縱超表面將信息發(fā)送到空間，由操作員 B 的 EBCM 接收、解調(diào)和呈現(xiàn)。

如下圖，研究團(tuán)隊(duì)展示了 5 個(gè)字母“HELLO”的無線傳輸過程，操作員 B 的屏幕上成功顯示出了“HELLO”的字樣。

在視覺光束掃描實(shí)驗(yàn)中，操作人員通過目視注視特定方向，直接實(shí)現(xiàn)了所需的波束掃描方向。在檢測(cè)到操作者的腦電圖后，EBCM 可以顯示出相關(guān)波束掃描方向的執(zhí)行編碼模式。

另外，研究團(tuán)隊(duì)還演示了 EBCM 的模式編碼過程。操作人員通過按下特定的按鈕輸入所需的代碼。EBCM 檢測(cè)到的輸入代碼以黃色方塊顯示在屏幕上。最后一個(gè)代碼“C4”是終止編碼過程的停止指令，并命令 FPGA 計(jì)算最終的編碼模式。之后，EBCM 執(zhí)行所計(jì)算的編碼模式，并在超表面顯示。

以上實(shí)驗(yàn)表明，操作者不再需要任何涉及肌肉的動(dòng)作，而只需要盯著特定的視覺按鈕進(jìn)行相關(guān)的連續(xù)刺激，EBCM 可以識(shí)別這些刺激并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的 EM 信號(hào)進(jìn)行通信。

什么是智能超表面？

超表面，是指一種厚度小于波長(zhǎng)的人工層狀材料。根據(jù)面內(nèi)的結(jié)構(gòu)形式，超表面可以分為兩種：一種具有橫向亞波長(zhǎng)的微細(xì)結(jié)構(gòu)，一種為均勻膜層。超表面可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波相位、極化方式、傳播模式等特性的靈活有效調(diào)控。

智能超表面是信息超材料在移動(dòng)通信領(lǐng)域的重要應(yīng)用，其基本原理是通過數(shù)字編程的方式控制超材料的電磁特性，改變普通墻面對(duì)空間電磁波的漫反射，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間電磁波的智能調(diào)控與波束賦形，并且具有低功耗、低成本等特點(diǎn)，有望成為未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

早在 2014 年，崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)就率先實(shí)現(xiàn)了智能超表面的硬件系統(tǒng)，為推動(dòng)信息超材料的應(yīng)用開創(chuàng)了先河。

今年 2 月，崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)及其合作者使用多層透射式數(shù)字編碼超表面構(gòu)建了可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的全衍射式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（可編程人工智能機(jī)，PAIM），成功實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的實(shí)時(shí)編程和光速計(jì)算特性，并展示了多種應(yīng)用案例，包括圖像識(shí)別、強(qiáng)化學(xué)習(xí)和通信多通道編解碼等，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)和展示了微波空間全衍射式可調(diào)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)然，超表面的應(yīng)用場(chǎng)景遠(yuǎn)不限于此。

超表面豐富獨(dú)特的物理特性及其對(duì)電磁波的靈活調(diào)控能力，可以使得其在隱身技術(shù)、天線技術(shù)、微波和太赫茲器件、光電子器件等諸多領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用前景。

參考資料：

https://www.eurekalert.org/news-releases/955604

https://elight.springeropen.com/articles/10.1186/s43593-022-00019-x#author-information