近年來，可編程超表面（coding metasurfaces）已經實現了對電磁功能的實時和可編程控制，而以往的電磁功能要么是靜態的，要么是在傳統的被動設備中非常有限。但是，這類超表面依然需要人工操作。

為了直接檢測和區分人的意愿，科學家們隨后提出了腦機接口（brain-computer interface，BCI）的概念，試圖通過腦機接口來建立腦與設備之間的通信，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，腦機接口可以解碼操作員的意愿，并向被控制對象發送命令，而不需要操作員進行一些復雜的肌肉活動。

如今，東南大學毫米波國家重點實驗室崔鐵軍院士團隊聯合華南理工大學、新加坡國立大學等科研機構更進一步，開發出了一種電磁腦機超表面（electromagnetic brain-computer-metasurface，EBCM）。

據介紹，這種超表面能夠靈活、無創地控制信息合成和無線傳輸，將操作者的大腦信息轉化為腦電圖（EEG）信號，進而轉化為各種電磁（EM）指令，從而實現兩個操作者之間的無線“心靈交流”。

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

相關研究論文以“Directly wireless communication of human minds via non-invasive brain-computer-metasurface platform”為題，發表在科學期刊 eLight 上。

研究人員表示，此次研究將電磁波空間與腦機接口結合，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，有助于構建出新一代生物智能超表面系統。

用意念輸出“HELLO”

在此次研究中，研究團隊設計并實驗演示了基于 EBCM 的無線文本通信。

研究團隊為腦機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。

在實驗中，采用高增益的單波束模式和低增益的隨機散射模式區分超表面反射的振幅，分別對應于用于無線信息傳輸的編碼“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 通信系統中從一個操作員到另一個操作員的無線傳輸。

操作員 A 作為文本發送者，通過可視地查看 EBCM GUI 上的字符按鈕發送字母。當從腦電圖信號解碼目標字母時，在 FPGA 上實現一個基于 ASCII 的編碼序列，以切換時變模式，操縱超表面將信息發送到空間，由操作員 B 的 EBCM 接收、解調和呈現。

如下圖，研究團隊展示了 5 個字母“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。

在視覺光束掃描實驗中，操作人員通過目視注視特定方向，直接實現了所需的波束掃描方向。在檢測到操作者的腦電圖后，EBCM 可以顯示出相關波束掃描方向的執行編碼模式。

另外，研究團隊還演示了 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 檢測到的輸入代碼以黃色方塊顯示在屏幕上。最后一個代碼“C4”是終止編碼過程的停止指令，并命令 FPGA 計算最終的編碼模式。之后，EBCM 執行所計算的編碼模式，并在超表面顯示。

以上實驗表明，操作者不再需要任何涉及肌肉的動作，而只需要盯著特定的視覺按鈕進行相關的連續刺激，EBCM 可以識別這些刺激并轉換成相應的 EM 信號進行通信。

什么是智能超表面？

超表面，是指一種厚度小于波長的人工層狀材料。根據面內的結構形式，超表面可以分為兩種：一種具有橫向亞波長的微細結構，一種為均勻膜層。超表面可實現對電磁波相位、極化方式、傳播模式等特性的靈活有效調控。

智能超表面是信息超材料在移動通信領域的重要應用，其基本原理是通過數字編程的方式控制超材料的電磁特性，改變普通墻面對空間電磁波的漫反射，實現對空間電磁波的智能調控與波束賦形，并且具有低功耗、低成本等特點，有望成為未來移動通信網絡的重要基礎設施。

早在 2014 年，崔鐵軍院士團隊就率先實現了智能超表面的硬件系統，為推動信息超材料的應用開創了先河。

今年 2 月，崔鐵軍院士團隊及其合作者使用多層透射式數字編碼超表面構建了可實時調節的全衍射式神經網絡（可編程人工智能機，PAIM），成功實現了網絡參數的實時編程和光速計算特性，并展示了多種應用案例，包括圖像識別、強化學習和通信多通道編解碼等，在國際上首次實現和展示了微波空間全衍射式可調神經網絡。

當然，超表面的應用場景遠不限于此。

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