无线“心灵交流”！崔铁军院士领衔研发新型脑机超表面，灵活、无创

2022 年 6 月 13 日 学术头条

近年来，可编程超表面（coding metasurfaces）已经实现了对电磁功能的实时和可编程控制，而以往的电磁功能要么是静态的，要么是在传统的被动设备中非常有限。但是，这类超表面依然需要人工操作。

为了直接检测和区分人的意愿，科学家们随后提出了脑机接口（brain-computer interface，BCI）的概念，试图通过脑机接口来建立脑与设备之间的通信，为可编程超表面的控制提供了新的视角。通过从“特殊的帽子”收集大脑信号，脑机接口可以解码操作员的意愿，并向被控制对象发送命令，而不需要操作员进行一些复杂的肌肉活动。

如今，东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军院士团队联合华南理工大学、新加坡国立大学等科研机构更进一步，开发出了一种电磁脑机超表面（electromagnetic brain-computer-metasurface，EBCM）。

据介绍，这种超表面能够灵活、无创地控制信息合成和无线传输，将操作者的大脑信息转化为脑电图（EEG）信号，进而转化为各种电磁（EM）指令，从而实现两个操作者之间的无线“心灵交流”。

如下图，操作人员面前放置着显示相关命令的显示器。只需要接收简单的指令，EBCM 就能理解操作人员的意图，就可以实现视束扫描（visual-beam scanning）、波浪调制（wave modulations）、模式编码（pattern encoding）等电磁功能。

图｜EBCM 的系统机构（来源：eLight）

相关研究论文以“Directly wireless communication of human minds via non-invasive brain-computer-metasurface platform”为题，发表在科学期刊 eLight 上。

研究人员表示，此次研究将电磁波空间与脑机接口结合，为超表面、人脑智能与人工智能的深度融合的探索开辟了新的方向，有助于构建出新一代生物智能超表面系统。

用意念输出“HELLO”

在此次研究中，研究团队设计并实验演示了基于 EBCM 的无线文本通信。

研究团队为脑机接口操作者提供了文本图形用户界面（GUI），使得可视按钮可以直接被编码为由“0”和“1”组成的特定编码序列。

在实验中，采用高增益的单波束模式和低增益的随机散射模式区分超表面反射的振幅，分别对应于用于无线信息传输的编码“1”（高振幅）和“0”（低振幅）。

作为原型的演示，研究人员演示了文本在 EBCM 通信系统中从一个操作员到另一个操作员的无线传输。

操作员 A 作为文本发送者，通过可视地查看 EBCM GUI 上的字符按钮发送字母。当从脑电图信号解码目标字母时，在 FPGA 上实现一个基于 ASCII 的编码序列，以切换时变模式，操纵超表面将信息发送到空间，由操作员 B 的 EBCM 接收、解调和呈现。

如下图，研究团队展示了 5 个字母“HELLO”的无线传输过程，操作员 B 的屏幕上成功显示出了“HELLO”的字样。

在视觉光束扫描实验中，操作人员通过目视注视特定方向，直接实现了所需的波束扫描方向。在检测到操作者的脑电图后，EBCM 可以显示出相关波束扫描方向的执行编码模式。

另外，研究团队还演示了 EBCM 的模式编码过程。操作人员通过按下特定的按钮输入所需的代码。EBCM 检测到的输入代码以黄色方块显示在屏幕上。最后一个代码“C4”是终止编码过程的停止指令，并命令 FPGA 计算最终的编码模式。之后，EBCM 执行所计算的编码模式，并在超表面显示。

视频｜使用 EBCM 的模式编码过程

以上实验表明，操作者不再需要任何涉及肌肉的动作，而只需要盯着特定的视觉按钮进行相关的连续刺激，EBCM 可以识别这些刺激并转换成相应的 EM 信号进行通信。

什么是智能超表面？

超表面，是指一种厚度小于波长的人工层状材料。根据面内的结构形式，超表面可以分为两种：一种具有横向亚波长的微细结构，一种为均匀膜层。超表面可实现对电磁波相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。

智能超表面是信息超材料在移动通信领域的重要应用，其基本原理是通过数字编程的方式控制超材料的电磁特性，改变普通墙面对空间电磁波的漫反射，实现对空间电磁波的智能调控与波束赋形，并且具有低功耗、低成本等特点，有望成为未来移动通信网络的重要基础设施。

早在 2014 年，崔铁军院士团队就率先实现了智能超表面的硬件系统，为推动信息超材料的应用开创了先河。

今年 2 月，崔铁军院士团队及其合作者使用多层透射式数字编码超表面构建了可实时调节的全衍射式神经网络（可编程人工智能机，PAIM），成功实现了网络参数的实时编程和光速计算特性，并展示了多种应用案例，包括图像识别、强化学习和通信多通道编解码等，在国际上首次实现和展示了微波空间全衍射式可调神经网络。

当然，超表面的应用场景远不限于此。

超表面丰富独特的物理特性及其对电磁波的灵活调控能力，可以使得其在隐身技术、天线技术、微波和太赫兹器件、光电子器件等诸多领域都具有重要的应用前景。

参考资料：
https://www.eurekalert.org/news-releases/955604
https://elight.springeropen.com/articles/10.1186/s43593-022-00019-x#author-information

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