eLight·封面 | 意念控制超材料

撰稿 | 崔铁军课题组、李远清课题组、仇成伟课题组、屈绍波课题组、郭宸孜

导读：长久以来，人类对“意念控制”这种超能力神醉心往。从《西游记》中孙悟空隔空取物的法术，再到《X战警》中X教授和《复仇者联盟》中绯红女巫的“心灵感应”以及“混沌魔法”，无不展现出了远程意念控制的神奇 “能量”。如今，科学让魔法变为现实，中国科学院院士、东南大学崔铁军教授，华南理工大学李远清教授，新加坡国立大学仇成伟教授，北京大学李廉林教授，空军工程大学屈绍波教授和王甲富教授等在世界范围内首次报道了用意念控制超材料、并将意念远程传输的原创工作，这两篇文章于2022年6月11日首发于卓越计划高起点新刊《eLight》。

超材料被《Science》选为21世纪前十年自然科学领域的十大突破之一，具有天然材料不具备的超常物理性质，为先进功能材料带来了生机和活力。超表面作为二维超材料，可调制电磁波的振幅、相位、极化和模式等特性，为操纵电磁波提供了极大的自由度。尤其是信息超表面的出现，弥合了电磁物理响应和超表面数字表征之间的鸿沟，为超表面现场可编程地动态操纵电磁波和处理数字信息提供了理论基础。

另一方面，随着脑科学的发展，人类对人脑的认知不断提升，并诞生出了诸多脑电设备。例如非侵入式的脑机接口技术（BCI），可通过电极从头皮表层收集自发或特异诱发的脑电图(EEG)信号，进而解码操作员的意图并向受控设备发送命令，不需要操作员的肌肉活动。该技术已广泛用于辅助残疾人操控设备和医疗康复应用中。

基于此，崔铁军教授、李远清教授、仇成伟教授、李廉林教授、屈绍波教授和王甲富教授等提出了利用非侵入式的脑机接口获取人脑的意识，转化为电磁波信息，控制超材料的动态编码。崔铁军教授、李远清教授、仇成伟教授、李廉林教授等将转化的电磁波信号远程传输，并进一步转化为可被接收端人脑识别的信息。

该工作分别以《Directly wireless communication of human minds via non-invasive brain-computer-metasurface platform》和《Remotely Mind-controlled Metasurface via Brainwaves》为题发表于《eLight》。

图1：《eLight》第2卷第24期封面（右）；《eLight》第2卷第25期封面（左）；

两篇工作展现了通过脑电波信号自由操控超表面的能力，使得不同功能超表面之间的切换告别有线连接、手动控制和非实时切换，向智能化更进一步。其中《Directly wireless communication of human minds via non-invasive brain-computer-metasurface platform》实现了人脑意识的远程直接电磁通信，这有望成为一种全新的通信范式；而《Remotely Mind-controlled Metasurface via Brainwaves》实现了脑电波无线远程调控电磁散射特性，为人脑控制电磁波提供了简易架构。

这两个工作可进一步与深度学习等技术融合，构建起先进的生物智能超材料体系，造福残疾人和医疗康复。两篇文章的详细内容如下。

● 文章一

东南大学 崔铁军 院士团队联合华南理工大学 李远清 教授团队、新加坡国立大学 仇成伟 教授团队和北京大学 李廉林 教授团队，在《eLight》上发表了研究论文“Directly wireless communication of human minds via non-invasive brain-computer-metasurface platform”，提出了一种基于P300电位检测的电磁脑机超表面（EBCM），可实现意念操控的无线通信与多种电磁调控，如图2所示。该论文的共同第一作者为东南大学马骞博士和华南理工大学高炜博士。

图2：电磁脑机超表面（EBCM）的人脑意识操控电磁场原理

该EBCM平台可以将操作者的意识从基于P300的诱发电位转化为电磁域中的数字编码信息，这些信息可以通过信息超表面以自动化和无线方式进一步处理和传输。两个操作员之间可借助EBCM执行准确的直接无线文本传输通信。此外，研究者使用该EBCM平台展示了其他几个概念验证的意念控制方案，展示了可灵活定制的信息处理和合成能力，如视觉直接驱动的电磁波束扫描、多种空间波调制和模式编码。

研究者设计并实验演示了基于EBCM的无线文本通信，如图3所示。为 BCI 操作员提供了一个文本 GUI，其中可视按钮直接编码为由“0”和“1”组成的特定编码序列。实验中采用具有高增益的单波束模式和低增益的随机散射模式实现超表面反射幅度的区分，分别对应于编码“1”（高幅度）和“0”（低幅度），用于无线信息传输。作为原型的证明，研究者展示了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，通过目视EBCM图形用户界面上的字符按钮来发送字母。当目标字母从EEG信号中解码出来时，基于ASCII码的编码序列在FPGA上实现以切换时变模式，操控超表面向空间中发送信息，并由另一个操作员的EBCM接收、解调和呈现。

图3：基于电磁脑机超表面（EBCM）的无线通信

为了进一步展示EBCM的更多功能，研究者还设计了三种意识操控电磁的典型应用，包括视觉波束扫描、多重电磁调制和编码模式输入。例如，在视觉驱动波束扫描案例中，操作员可以通过简单地盯着天空中的各个方向，使用 EBCM 相应地引导电磁波束扫描。这种新型电磁方案可以进一步与增强现实（AR）技术相结合，并在自适应意念无线通信和智能雷达检测中找到更多应用。

脑机接口超表面突破了原有可编程超材料调控依赖人体动作指令输入的局限性，实现人脑意识化控制信息超材料电磁调控的全新架构，该工作将电磁波空间调控与脑机接口相结合，可能进一步开辟探索超表面、人脑智能和人工智能深度融合的新方向，从而构建新一代生物智能超表面系统。

文章二

空军工程大学 王甲富 教授、屈绍波 教授和新加坡国立大学 仇成伟 教授等在《eLight》上发表了研究论文“Remotely Mind-controlled Metasurface via Brainwaves”，提出了一种利用脑电波提取模块实现意念控制超表面的框架。

该框架由传感器、控制器和执行器三部分组成。

传感器是指脑电波模块，它可以根据大脑意念专注程度的不同输出不同幅值的电信号，并通过蓝牙将其传输给控制器。该控制器由微程序控制单元和输出端组成。控制器接收来自传感器的脑电波信号，然后将注意力信号输入执行器。此信号根据专注度的高低分为四个不同的区间，并以四个阈值为特征。控制器输出引脚与执行器连接，输出电压高低对应编码1/0序列。执行器是一个带有PIN二极管嵌入其元原子的超表面。二极管在开关状态下将对应不同的编码状态，控制器输出的电压序列表示在超表面上的不同编码序列，从而实现对电磁波的散射调控。

作为验证，研究者测试了一个样件。测试结果验证了这种超表面的意见可控性。与传统的超表面不同，这种超表面可以通过人脑的实时反应来操纵电磁波，而不是通过手动操作。研究者的设计将人类大脑的思维映射到超表面的电磁调制，有效地提高了电磁调制的速率。这一工作为智能超表面开辟了一条新的道路，并有望在健康监测、5G/6G通信、智能传感器等领域得到应用。 

图4：基于脑波远程控制超表面示意图

图5：在暗室中通过脑波遥控超表面的测试图

图6：基于脑波的超表面功能切换示意图

总结而言，文章提出了一种基于脑波调控超表面来远程操纵电磁波的框架。其基本思想是通过提取使用者的脑电波信号来控制可编程超表面的电磁响应。作为验证，演示了一种远程控制的散射可调超表面，它允许用户通过意见控制正入射下的电磁散射模式。该系统在电磁波调制方面表现出良好的性能，为实现智能超表面提供了新的途径。该设计为用户提供了一种使用脑电波来操纵电磁波的通用方法。

在后续工作中，脑波控制可以与智能算法进一步结合，并扩展到其他大脑控制的功能性超表面重。所设计的脑波控制超表面系统在健康监测、5G/6G通信和智能传感器等领域具有潜在应用。

| 论文信息 |

第一篇《eLight》文章题为《Directly wireless communication of human minds via non-invasive brain-computer-metasurface platform》。论文通讯作者为东南大学崔铁军院士、华南理工大学李远清教授和新加坡国立大学仇成伟教授，共同第一作者为东南大学马骞博士、华南理工大学高炜博士。该工作得到了国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项、江苏省前沿引领技术基础研究专项、国家自然科学基金等项目的资助。 

Ma, Q., Gao, W., Xiao, Q. et al. Directly wireless communication of human minds via non-invasive brain-computer-metasurface platform. eLight 2, 11 (2022). 

https://doi.org/10.1186/s43593-022-00019-x

第二篇《eLight》文章题为《Remotely Mind-controlled Metasurface via Brainwaves》。论文通讯作者为空军工程大学王甲富教授、屈绍波教授和新加坡国立大学仇成伟教授，第一作者为空军工程大学朱瑞超博士。该工作得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划等项目的资助。

Zhu, R., Wang, J., Qiu, T. et al. Remotely mind-controlled metasurface via brainwaves. eLight 2, 10 (2022). 

https://doi.org/10.1186/s43593-022-00016-0

此外，中国工程院院士、中国科学院光电技术研究所所长罗先刚受邀为本文撰写News & Views，发表于《Light: Science & Applications》。

Luo, X. Directly wireless communication of human minds via mind-controlled programming metasurface. Light Sci Appl 11, 182 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00831-7

监制 | 孙婷婷、赵阳

编辑 | 赵唯

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