撰稿 | 崔鐵軍課題組、李遠清課題組、仇成偉課題組、屈紹波課題組、郭宸孜

導讀：長久以來，人類對“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)出了遠程意念控制的神奇 “能量”。如今，科學讓魔法變?yōu)楝F(xiàn)實，中國科學院院士、東南大學崔鐵軍教授，華南理工大學李遠清教授，新加坡國立大學仇成偉教授，北京大學李廉林教授，空軍工程大學屈紹波教授和王甲富教授等在世界范圍內(nèi)首次報道了用意念控制超材料、并將意念遠程傳輸?shù)脑瓌?chuàng)工作，這兩篇文章于2022年6月11日首發(fā)于卓越計劃高起點新刊《eLight》。

超材料被《Science》選為21世紀前十年自然科學領(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)，為先進功能材料帶來了生機和活力。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)場可編程地動態(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，隨著腦科學的發(fā)展，人類對人腦的認知不斷提升，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，進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。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接口獲取人腦的意識，轉(zhuǎn)化為電磁波信息，控制超材料的動態(tài)編碼。崔鐵軍教授、李遠清教授、仇成偉教授、李廉林教授等將轉(zhuǎn)化的電磁波信號遠程傳輸，并進一步轉(zhuǎn)化為可被接收端人腦識別的信息。

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、手動控制和非實時切換，向智能化更進一步。其中《Directly wireless communication of human minds via non-invasive brain-computer-metasurface platform》實現(xiàn)了人腦意識的遠程直接電磁通信，這有望成為一種全新的通信范式；而《Remotely Mind-controlled Metasurface via Brainwaves》實現(xiàn)了腦電波無線遠程調(diào)控電磁散射特性，為人腦控制電磁波提供了簡易架構(gòu)。

這兩個工作可進一步與深度學習等技術(shù)融合，構(gòu)建起先進的生物智能超材料體系，造福殘疾人和醫(yī)療康復(fù)。兩篇文章的詳細內(nèi)容如下。

● 文章一

東南大學 崔鐵軍 院士團隊聯(lián)合華南理工大學 李遠清 教授團隊、新加坡國立大學 仇成偉 教授團隊和北京大學 李廉林 教授團隊，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電位檢測的電磁腦機超表面（EBCM），可實現(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馬騫博士和華南理工大學高煒博士。

圖2：電磁腦機超表面（EBCM）的人腦意識操控電磁場原理

該EBCM平臺可以將操作者的意識從基于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化和無線方式進一步處理和傳輸。兩個操作員之間可借助EBCM執(zhí)行準確的直接無線文本傳輸通信。此外，研究者使用該EBCM平臺展示了其他幾個概念驗證的意念控制方案，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)計并實驗演示了基于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。實驗中采用具有高增益的單波束模式和低增益的隨機散射模式實現(xiàn)超表面反射幅度的區(qū)分，分別對應(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)中從一個操作員到另一個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。當目標字母從EEG信號中解碼出來時，基于ASCII碼的編碼序列在FPGA上實現(xiàn)以切換時變模式，操控超表面向空間中發(fā)送信息，并由另一個操作員的EBCM接收、解調(diào)和呈現(xiàn)。

圖3：基于電磁腦機超表面（EBCM）的無線通信

為了進一步展示EBCM的更多功能，研究者還設(shè)計了三種意識操控電磁的典型應(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)動波束掃描案例中，操作員可以通過簡單地盯著天空中的各個方向，使用 EBCM 相應(yīng)地引導電磁波束掃描。這種新型電磁方案可以進一步與增強現(xiàn)實（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檢測中找到更多應(yīng)用。

腦機接口超表面突破了原有可編程超材料調(diào)控依賴人體動作指令輸入的局限性，實現(xiàn)人腦意識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)控與腦機接口相結(jié)合，可能進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 王甲富 教授、屈紹波 教授和新加坡國立大學 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，并通過藍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，然后將注意力信號輸入執(zhí)行器。此信號根據(jù)專注度的高低分為四個不同的區(qū)間，并以四個閾值為特征?？刂破鬏敵鲆_與執(zhí)行器連接，輸出電壓高低對應(yīng)編碼1/0序列。執(zhí)行器是一個帶有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，從而實現(xiàn)對電磁波的散射調(diào)控。

作為驗證，研究者測試了一個樣件。測試結(jié)果驗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時反應(yīng)來操縱電磁波，而不是通過手動操作。研究者的設(shè)計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、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來控制可編程超表面的電磁響應(yīng)。作為驗證，演示了一種遠程控制的散射可調(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，為實現(xiàn)智能超表面提供了新的途徑。該設(shè)計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一步結(jié)合，并擴展到其他大腦控制的功能性超表面重。所設(shè)計的腦波控制超表面系統(tǒng)在健康監(jiān)測、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崔鐵軍院士、華南理工大學李遠清教授和新加坡國立大學仇成偉教授，共同第一作者為東南大學馬騫博士、華南理工大學高煒博士。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學問題”重點專項、江蘇省前沿引領(lǐng)技術(shù)基礎(chǔ)研究專項、國家自然科學基金等項目的資助。 

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王甲富教授、屈紹波教授和新加坡國立大學仇成偉教授，第一作者為空軍工程大學朱瑞超博士。該工作得到了國家自然科學基金、科技部國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。

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，中國工程院院士、中國科學院光電技術(shù)研究所所長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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