无线“心灵沟通”！崔铁军院士牵头研发了一种新型脑机超表面，具有灵活、无创等传统无源器件所不具备的特点。然而，这样的超表面仍然需要手动操作。为了直接检测和区分人的意愿，科学家随后提出了脑机接口（BCI）的概念，试图通过脑机接口建立大脑与设备之间的通信，为可编程的超表面控制提供了新的视角。通过收集“特殊帽子”的大脑信号，脑机接口可以解码操作者的意愿，向被控对象发送指令，而不需要操作者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，又更进一步，研制出电磁脑机-超表面(EBCM)。据介绍，这种超表面可以灵活、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，从而实现两个无线“心灵沟通”运营商之间。如下图所示，操作员位于显示相关命令的显示屏前。EBCM只需接收简单的指令，即可理解操作者的意图，实现可见波束扫描、波调制、模式编码等电磁功能。一篇题为“Directlywirelesscommunicationofhumanmindsvianon-invasivebrain-computer-metasurfaceplatform”的研究论文发表在科学期刊eLight上。研究人员表示，这项研究将电磁波空间与脑机接口相结合，为探索超表面、人脑智能和人工智能的深度融合开辟了新方向，有助于构建新一代生物-智能超表面系统。在这项研究中，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员提供了一个文本图形用户界面（GUI），让视觉按钮可以直接编码成由“0”和“1”组成的特定编码序列。实验中采用高增益单光束模式和低增益随机散射模式区分超表面反射的振幅，对应代码“1”（高振幅）和“0”（低振幅）无线信息传输，分别。.作为原型演示，研究人员演示了在EBCM通信系统中从一个操作员到另一个操作员的文本无线传输。操作员A作为文本发送者，通过查看EBCMGUI上的字符按钮来发送字母。当从EEG信号中解码目标字母时，基于ASCII的编码序列在FPGA上实现以切换时变模式，操纵超表面将信息发送到空间，由Operator接收、解调和呈现B的EBCM。如下图所示，研究团队演示了“HELLO”五个字母的无线传输过程，“HELLO”字样成功显示在操作员B的屏幕上。在可见光扫描实验中，操作员直接实现了通过目视特定方向来确定所需的光束扫描方向。在检测到操作者的脑电图后，EBCM可以揭示与波束扫描方向相关的执行编码模式。此外，研究团队还展示了EBCM的模式编码过程。操作员通过按下特定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”是一个停止指令，终止编码过程并指示FPGA计算最终的编码模式。之后，EBCM执行计算出的编码模式并将它们显示在超表面上。上述实验表明，操作者不再需要任何肌肉参与动作，只需盯着特定的视觉按钮进行相关的持续刺激，即可被EBCM识别并转化为相应的EM信号进行通信。什么是智能超表面？超表面是指厚度小于波长的人造层状材料。根据面内结构，超表面可分为两种类型：一种具有横向亚波长微结构，另一种是均匀的膜层。超表面可以实现对电磁波相位、偏振模式、传播模式等特性的灵活有效控制。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控制超材料的电磁特性，改变空间电磁波在普通墙壁上的漫反射，实现对空间电磁波的智能调控。波束成形具有低功耗、低成本的特点，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体系，开创了推动信息超材料应用的先河。今年2月，崔铁军院士团队及其合作者利用多层透射数字编码超表面构建了可实时调节的全衍射神经网络（可编程人工智能机，PAIM），并成功实现了实时-网络参数的时间编程。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，在国内首次实??现并展示了微波空间全衍射可调神经网络世界。当然，超表面的应用场景远不止于此。超表面丰富而独特的物理性质及其对电磁波的灵活控制，使其在隐身技术、天线技术、微波和太赫兹器件、光电器件等诸多领域具有重要的应用前景。
