撰稿 | 崔鐵軍課題組、李遠(yuǎn)清課題組、仇成偉課題組、屈紹波課題組、郭宸孜

導(dǎo)讀：長(zhǎng)久以來，人類對(duì)“意念控制”這種超能力神醉心往。從《西游記》中孫悟空隔空取物的法術(shù)，再到《X戰(zhàn)警》中X教授和《復(fù)仇者聯(lián)盟》中緋紅女巫的“心靈感應(yīng)”以及“混沌魔法”，無不展現(xiàn)出了遠(yuǎn)程意念控制的神奇 “能量”。如今，科學(xué)讓魔法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，中國(guó)科學(xué)院院士、東南大學(xué)崔鐵軍教授，華南理工大學(xué)李遠(yuǎn)清教授，新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授，北京大學(xué)李廉林教授，空軍工程大學(xué)屈紹波教授和王甲富教授等在世界范圍內(nèi)首次報(bào)道了用意念控制超材料、并將意念遠(yuǎn)程傳輸?shù)脑瓌?chuàng)工作，這兩篇文章于2022年6月11日首發(fā)于卓越計(jì)劃高起點(diǎn)新刊《eLight》。

超材料被《Science》選為21世紀(jì)前十年自然科學(xué)領(lǐng)域的十大突破之一，具有天然材料不具備的超常物理性質(zhì)，為先進(jìn)功能材料帶來了生機(jī)和活力。超表面作為二維超材料，可調(diào)制電磁波的振幅、相位、極化和模式等特性，為操縱電磁波提供了極大的自由度。尤其是信息超表面的出現(xiàn)，彌合了電磁物理響應(yīng)和超表面數(shù)字表征之間的鴻溝，為超表面現(xiàn)場(chǎng)可編程地動(dòng)態(tài)操縱電磁波和處理數(shù)字信息提供了理論基礎(chǔ)。

另一方面，隨著腦科學(xué)的發(fā)展，人類對(duì)人腦的認(rèn)知不斷提升，并誕生出了諸多腦電設(shè)備。例如非侵入式的腦機(jī)接口技術(shù)（BCI），可通過電極從頭皮表層收集自發(fā)或特異誘發(fā)的腦電圖(EEG)信號(hào)，進(jìn)而解碼操作員的意圖并向受控設(shè)備發(fā)送命令，不需要操作員的肌肉活動(dòng)。該技術(shù)已廣泛用于輔助殘疾人操控設(shè)備和醫(yī)療康復(fù)應(yīng)用中。

基于此，崔鐵軍教授、李遠(yuǎn)清教授、仇成偉教授、李廉林教授、屈紹波教授和王甲富教授等提出了利用非侵入式的腦機(jī)接口獲取人腦的意識(shí)，轉(zhuǎn)化為電磁波信息，控制超材料的動(dòng)態(tài)編碼。崔鐵軍教授、李遠(yuǎn)清教授、仇成偉教授、李廉林教授等將轉(zhuǎn)化的電磁波信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為可被接收端人腦識(shí)別的信息。

該工作分別以《Directly wireless communication of human minds via non-invasive brain-computer-metasurface platform》和《Remotely Mind-controlled Metasurface via Brainwaves》為題發(fā)表于《eLight》。

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

兩篇工作展現(xiàn)了通過腦電波信號(hào)自由操控超表面的能力，使得不同功能超表面之間的切換告別有線連接、手動(dòng)控制和非實(shí)時(shí)切換，向智能化更進(jìn)一步。其中《Directly wireless communication of human minds via non-invasive brain-computer-metasurface platform》實(shí)現(xiàn)了人腦意識(shí)的遠(yuǎn)程直接電磁通信，這有望成為一種全新的通信范式；而《Remotely Mind-controlled Metasurface via Brainwaves》實(shí)現(xiàn)了腦電波無線遠(yuǎn)程調(diào)控電磁散射特性，為人腦控制電磁波提供了簡(jiǎn)易架構(gòu)。

這兩個(gè)工作可進(jìn)一步與深度學(xué)習(xí)等技術(shù)融合，構(gòu)建起先進(jìn)的生物智能超材料體系，造福殘疾人和醫(yī)療康復(fù)。兩篇文章的詳細(xì)內(nèi)容如下。

● 文章一

東南大學(xué) 崔鐵軍 院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華南理工大學(xué) 李遠(yuǎn)清 教授團(tuán)隊(duì)、新加坡國(guó)立大學(xué) 仇成偉 教授團(tuán)隊(duì)和北京大學(xué) 李廉林 教授團(tuán)隊(duì)，在《eLight》上發(fā)表了研究論文“Directly wireless communication of human minds via non-invasive brain-computer-metasurface platform”，提出了一種基于P300電位檢測(cè)的電磁腦機(jī)超表面（EBCM），可實(shí)現(xiàn)意念操控的無線通信與多種電磁調(diào)控，如圖2所示。該論文的共同第一作者為東南大學(xué)馬騫博士和華南理工大學(xué)高煒博士。

圖2：電磁腦機(jī)超表面（EBCM）的人腦意識(shí)操控電磁場(chǎng)原理

該EBCM平臺(tái)可以將操作者的意識(shí)從基于P300的誘發(fā)電位轉(zhuǎn)化為電磁域中的數(shù)字編碼信息，這些信息可以通過信息超表面以自動(dòng)化和無線方式進(jìn)一步處理和傳輸。兩個(gè)操作員之間可借助EBCM執(zhí)行準(zhǔn)確的直接無線文本傳輸通信。此外，研究者使用該EBCM平臺(tái)展示了其他幾個(gè)概念驗(yàn)證的意念控制方案，展示了可靈活定制的信息處理和合成能力，如視覺直接驅(qū)動(dòng)的電磁波束掃描、多種空間波調(diào)制和模式編碼。

研究者設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)演示了基于EBCM的無線文本通信，如圖3所示。為 BCI 操作員提供了一個(gè)文本 GUI，其中可視按鈕直接編碼為由“0”和“1”組成的特定編碼序列。實(shí)驗(yàn)中采用具有高增益的單波束模式和低增益的隨機(jī)散射模式實(shí)現(xiàn)超表面反射幅度的區(qū)分，分別對(duì)應(yīng)于編碼“1”（高幅度）和“0”（低幅度），用于無線信息傳輸。作為原型的證明，研究者展示了EBCM 通信系統(tǒng)中從一個(gè)操作員到另一個(gè)操作員的文本無線傳輸。操作員A作為文本發(fā)送者，通過目視EBCM圖形用戶界面上的字符按鈕來發(fā)送字母。當(dāng)目標(biāo)字母從EEG信號(hào)中解碼出來時(shí)，基于ASCII碼的編碼序列在FPGA上實(shí)現(xiàn)以切換時(shí)變模式，操控超表面向空間中發(fā)送信息，并由另一個(gè)操作員的EBCM接收、解調(diào)和呈現(xiàn)。

圖3：基于電磁腦機(jī)超表面（EBCM）的無線通信

為了進(jìn)一步展示EBCM的更多功能，研究者還設(shè)計(jì)了三種意識(shí)操控電磁的典型應(yīng)用，包括視覺波束掃描、多重電磁調(diào)制和編碼模式輸入。例如，在視覺驅(qū)動(dòng)波束掃描案例中，操作員可以通過簡(jiǎn)單地盯著天空中的各個(gè)方向，使用 EBCM 相應(yīng)地引導(dǎo)電磁波束掃描。這種新型電磁方案可以進(jìn)一步與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)相結(jié)合，并在自適應(yīng)意念無線通信和智能雷達(dá)檢測(cè)中找到更多應(yīng)用。

腦機(jī)接口超表面突破了原有可編程超材料調(diào)控依賴人體動(dòng)作指令輸入的局限性，實(shí)現(xiàn)人腦意識(shí)化控制信息超材料電磁調(diào)控的全新架構(gòu)，該工作將電磁波空間調(diào)控與腦機(jī)接口相結(jié)合，可能進(jìn)一步開辟探索超表面、人腦智能和人工智能深度融合的新方向，從而構(gòu)建新一代生物智能超表面系統(tǒng)。

文章二

空軍工程大學(xué) 王甲富 教授、屈紹波 教授和新加坡國(guó)立大學(xué) 仇成偉 教授等在《eLight》上發(fā)表了研究論文“Remotely Mind-controlled Metasurface via Brainwaves”，提出了一種利用腦電波提取模塊實(shí)現(xiàn)意念控制超表面的框架。

該框架由傳感器、控制器和執(zhí)行器三部分組成。

傳感器是指腦電波模塊，它可以根據(jù)大腦意念專注程度的不同輸出不同幅值的電信號(hào)，并通過藍(lán)牙將其傳輸給控制器。該控制器由微程序控制單元和輸出端組成?？刂破鹘邮諄碜詡鞲衅鞯哪X電波信號(hào)，然后將注意力信號(hào)輸入執(zhí)行器。此信號(hào)根據(jù)專注度的高低分為四個(gè)不同的區(qū)間，并以四個(gè)閾值為特征。控制器輸出引腳與執(zhí)行器連接，輸出電壓高低對(duì)應(yīng)編碼1/0序列。執(zhí)行器是一個(gè)帶有PIN二極管嵌入其元原子的超表面。二極管在開關(guān)狀態(tài)下將對(duì)應(yīng)不同的編碼狀態(tài)，控制器輸出的電壓序列表示在超表面上的不同編碼序列，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的散射調(diào)控。

作為驗(yàn)證，研究者測(cè)試了一個(gè)樣件。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了這種超表面的意見可控性。與傳統(tǒng)的超表面不同，這種超表面可以通過人腦的實(shí)時(shí)反應(yīng)來操縱電磁波，而不是通過手動(dòng)操作。研究者的設(shè)計(jì)將人類大腦的思維映射到超表面的電磁調(diào)制，有效地提高了電磁調(diào)制的速率。這一工作為智能超表面開辟了一條新的道路，并有望在健康監(jiān)測(cè)、5G/6G通信、智能傳感器等領(lǐng)域得到應(yīng)用。 

圖4：基于腦波遠(yuǎn)程控制超表面示意圖

圖5：在暗室中通過腦波遙控超表面的測(cè)試圖

圖6：基于腦波的超表面功能切換示意圖

總結(jié)而言，文章提出了一種基于腦波調(diào)控超表面來遠(yuǎn)程操縱電磁波的框架。其基本思想是通過提取使用者的腦電波信號(hào)來控制可編程超表面的電磁響應(yīng)。作為驗(yàn)證，演示了一種遠(yuǎn)程控制的散射可調(diào)超表面，它允許用戶通過意見控制正入射下的電磁散射模式。該系統(tǒng)在電磁波調(diào)制方面表現(xiàn)出良好的性能，為實(shí)現(xiàn)智能超表面提供了新的途徑。該設(shè)計(jì)為用戶提供了一種使用腦電波來操縱電磁波的通用方法。

在后續(xù)工作中，腦波控制可以與智能算法進(jìn)一步結(jié)合，并擴(kuò)展到其他大腦控制的功能性超表面重。所設(shè)計(jì)的腦波控制超表面系統(tǒng)在健康監(jiān)測(cè)、5G/6G通信和智能傳感器等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。

| 論文信息 |

第一篇《eLight》文章題為《Directly wireless communication of human minds via non-invasive brain-computer-metasurface platform》。論文通訊作者為東南大學(xué)崔鐵軍院士、華南理工大學(xué)李遠(yuǎn)清教授和新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授，共同第一作者為東南大學(xué)馬騫博士、華南理工大學(xué)高煒博士。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問題”重點(diǎn)專項(xiàng)、江蘇省前沿引領(lǐng)技術(shù)基礎(chǔ)研究專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。 

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》文章題為《Remotely Mind-controlled Metasurface via Brainwaves》。論文通訊作者為空軍工程大學(xué)王甲富教授、屈紹波教授和新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授，第一作者為空軍工程大學(xué)朱瑞超博士。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

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，中國(guó)工程院院士、中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所所長(zhǎng)羅先剛受邀為本文撰寫News & Views，發(fā)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

監(jiān)制 | 孫婷婷、趙陽

編輯 | 趙唯

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