超構(gòu)表面（metasurface）在調(diào)控電磁（EM）波方面表現(xiàn)出前所未有的自由度，從而為智能系統(tǒng)提供了出色的前端接口。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，第四軍醫(yī)大學(xué)、中國(guó)人民解放軍空軍工程大學(xué)、東南大學(xué)、蘇州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室航空航天超構(gòu)材料實(shí)驗(yàn)室、新加坡國(guó)立大學(xué)（National University of Singapore）、北京理工大學(xué)、西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Nature Communications期刊上發(fā)表了題為“Vision-driven metasurfaces for perception enhancement”的論文，提出了一種基于視覺(jué)驅(qū)動(dòng)超構(gòu)表面的感知增強(qiáng)架構(gòu)。人類(lèi)的眼球運(yùn)動(dòng)與微波輻射相匹配，從而擴(kuò)展了人類(lèi)的感知譜。通過(guò)這種方式，人們的眼睛可以“感知”視覺(jué)信息和不可見(jiàn)的微波信息。

上述科研團(tuán)隊(duì)給出了一些具體實(shí)施的實(shí)驗(yàn)演示，包括生理信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、“X射線眼鏡”系統(tǒng)、“一瞥即忘”追蹤系統(tǒng)和聾人語(yǔ)音接收系統(tǒng)。模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了其在感知增強(qiáng)效果和提高信息獲取效率方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。該架構(gòu)可輕松集成到醫(yī)療保健系統(tǒng)中，用于監(jiān)測(cè)生理信號(hào)并為殘疾人士提供幫助。這項(xiàng)工作為感知增強(qiáng)提供了一種替代架構(gòu)，并有望在醫(yī)療保健、可穿戴設(shè)備、搜索和救援等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

感知增強(qiáng)系統(tǒng)的架構(gòu)

研究人員通過(guò)多種手段的組合提出了一種智能超構(gòu)表面系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1a所示。眼球追蹤眼鏡是一種可穿戴解決方案，用于捕獲認(rèn)知負(fù)荷和觀看行為的客觀測(cè)量數(shù)據(jù)，非常適合以所需的空間和時(shí)間分辨率提供可靠的眼球運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶佩戴眼球追蹤器并運(yùn)行程序時(shí)，可以提取相關(guān)的眼球運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，包括凝視點(diǎn)、眼球掃視、眨眼等。在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)據(jù)處理程序可對(duì)眼球運(yùn)動(dòng)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過(guò)對(duì)感興趣區(qū)域（AOI）和受試者狀態(tài)（例如注意力）的分析，識(shí)別出需要追蹤或感知增強(qiáng)的區(qū)域，從而為可編程超構(gòu)表面的調(diào)控奠定了基礎(chǔ)。

可編程超構(gòu)表面伴隨著數(shù)字編碼特征，其中電磁響應(yīng)由數(shù)字編碼序列調(diào)控。借助現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）和數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）模塊，當(dāng)施加在二極管上的電壓變化時(shí)，數(shù)字編碼序列也會(huì)相應(yīng)改變，從而調(diào)整輻射角度。因此，根據(jù)AOI和受試者的狀態(tài)，算法可以自行確定超構(gòu)表面的反應(yīng)，并指示FPGA改變可編程超構(gòu)表面配置，然后確定數(shù)字編碼序列。通過(guò)這種方式，研究人員可以調(diào)整可編程超構(gòu)表面的不同功能，以實(shí)現(xiàn)良好的定向輻射波束形狀和其它智能功能。此外，通過(guò)透明介質(zhì)襯底和金屬網(wǎng)格模式，所提出的超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)較高的可見(jiàn)光透射率。它使超構(gòu)表面能夠集成多個(gè)頻段的信息，以及實(shí)現(xiàn)眼睛（可見(jiàn)光）和超構(gòu)表面（微波）的整合。

眼球運(yùn)動(dòng)的自主光束調(diào)控

研究人員提出了一種基于眼球運(yùn)動(dòng)的輻射波束調(diào)控方案，即使用眼球追蹤器使照射電磁波的方向隨著眼球運(yùn)動(dòng)而變化。這種方法實(shí)現(xiàn)了自主、靈活的波束調(diào)控，為微波探測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

在這項(xiàng)研究工作中，研究人員設(shè)計(jì)了一種輻射型可編程超構(gòu)表面。設(shè)計(jì)的超構(gòu)表面由16 × 16個(gè)單元構(gòu)成，總面積為240 mm × 240 mm。

圖1 基于視覺(jué)驅(qū)動(dòng)的超構(gòu)表面及其電磁特性的感知增強(qiáng)系統(tǒng)

為了全面掌握單元的輻射光譜，研究人員使用CST Microwave Studio模擬了單元在正電壓和負(fù)電壓下的輻射相位，如圖1b所示。圖1c-1g展示了使用不同編碼序列在代表性掃描角度下的實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖。從上述圖中可以觀察到，形狀良好的定向輻射波束以非常高的指向穩(wěn)定性被激發(fā)，并且超構(gòu)表面具有將電磁輻射擴(kuò)展到二維空間的能力。

接下來(lái)，研究人員將眼球運(yùn)動(dòng)過(guò)程與超構(gòu)表面相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自主電磁波束調(diào)控。在實(shí)驗(yàn)中，他們研究了眼球在一段時(shí)間內(nèi)注視不同位置的目標(biāo)的場(chǎng)景。

圖2 不同編碼模式下的凝視點(diǎn)、眼球圖像和測(cè)得的超構(gòu)表面遠(yuǎn)場(chǎng)輻射光譜

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，圖中說(shuō)明了上半部分空間中的凝視點(diǎn)和眼球圖像與下半部分空間的遠(yuǎn)場(chǎng)散射模式測(cè)量值之間的關(guān)系。圖2a-2e分別對(duì)應(yīng)于圖1c-1g。利用這種調(diào)控方法，研究人員成功地將視場(chǎng)與超構(gòu)表面微波輻射結(jié)合起來(lái)，彌補(bǔ)了視覺(jué)感知的局限性，為微波探測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

“X射線眼鏡”：可視多目標(biāo)呼吸、心跳檢測(cè)

為了提高人類(lèi)的感知能力，研究人員提出了一種高效、智能的感知增強(qiáng)途徑——X射線眼鏡，其通過(guò)超構(gòu)表面將視覺(jué)信息與人體生理信息關(guān)聯(lián)起來(lái)。該實(shí)驗(yàn)是對(duì)自由空間中多個(gè)人類(lèi)目標(biāo)的呼吸和心跳信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。觀察者不僅感知到目標(biāo)的視覺(jué)圖像，還能感知到其不可見(jiàn)的生理信號(hào)，例如呼吸和心跳。

圖3 兩位坐在（-28°，28°）位置的受試者的呼吸和心跳信號(hào)檢測(cè)

兩名受試者的呼吸和心跳檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩名受試者的呼吸和心跳周期與參考信號(hào)匹配良好。此外，通過(guò)眼球運(yùn)動(dòng)改變電磁波的方向，可以在物理層面上很好地分離不同方位角的不同受試者的呼吸和心跳信號(hào)。

“X射線眼鏡”：木板障礙物后面的人體位置和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)

該實(shí)驗(yàn)是對(duì)障礙物后面的人類(lèi)受試者進(jìn)行位置和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。該方法不僅可以檢測(cè)隱藏人員的準(zhǔn)確方位，還可以檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)模式。

如圖4a-4c所示，在方位角28°處檢測(cè)到了明顯的呼吸信號(hào)，這表明該方向存在人類(lèi)受試者。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超構(gòu)表面測(cè)量到的呼吸信號(hào)與使用接觸式呼吸帶獲得的呼吸信號(hào)高度吻合。另外兩個(gè)方位角則沒(méi)有檢測(cè)到呼吸，這與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)設(shè)置相符。圖4d-4f顯示在所有三個(gè)方向上均檢測(cè)到呼吸信號(hào)，這意味著在所有三個(gè)方向上都能定位人類(lèi)受試者。上述結(jié)果驗(yàn)證了人體位置檢測(cè)方法的有效性。

研究人員以方位角為28°的人類(lèi)目標(biāo)為例，驗(yàn)證其運(yùn)動(dòng)檢測(cè)性能。圖4g–4j顯示了所獲得的四種平板后人體運(yùn)動(dòng)的微多普勒特征。

與呼吸檢測(cè)一樣，當(dāng)檢測(cè)特定方位角的人類(lèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，超構(gòu)表面發(fā)射的窄波束可以排除來(lái)自檢測(cè)空間中其他位置的干擾，這使其能夠在多個(gè)人類(lèi)目標(biāo)（運(yùn)動(dòng)中）共存的真實(shí)檢測(cè)場(chǎng)景中魯棒地運(yùn)行。通過(guò)這種方式，人體的位置和運(yùn)動(dòng)可以在觀察者無(wú)法直接看到的情況下進(jìn)行檢測(cè)，即觀察者擁有一副X射線眼鏡。

圖4 平板障礙物后人類(lèi)受試者的位置和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)

最后，研究人員還演示了“一瞥即忘”超構(gòu)表面智能目標(biāo)追蹤系統(tǒng)、聾人無(wú)障礙語(yǔ)音采集和增強(qiáng)系統(tǒng)。

綜上所述，這項(xiàng)研究提出了基于視覺(jué)驅(qū)動(dòng)的超構(gòu)表面概念，并在此基礎(chǔ)上提出了一種感知增強(qiáng)的架構(gòu)。通過(guò)將眼球追蹤器和可編程超構(gòu)表面相結(jié)合，建立了一種從受試者意識(shí)到超構(gòu)表面模式的新型調(diào)控方式。研究人員提出了一種用于調(diào)整輻射光束的智能超構(gòu)表面以闡明上述概念。所提出的智能超構(gòu)表面平臺(tái)嵌入了人類(lèi)視覺(jué)感知，能夠有效地響應(yīng)不斷變化的AOI和受試者狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，研究人員演示了具有不同功能的典型方案，包括生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、X射線眼鏡系統(tǒng)、“一瞥即忘”追蹤系統(tǒng)和面向聾人的醫(yī)療保健系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)方法相比，該平臺(tái)融合了信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、電磁等技術(shù)手段。智能平臺(tái)引入超構(gòu)表面使人類(lèi)具有更強(qiáng)的信息獲取、處理和感知能力。對(duì)光學(xué)、微波等多波段信息的感知彌補(bǔ)了人類(lèi)視覺(jué)在被遮擋情況下的不足。該方法可以幫助人類(lèi)識(shí)別感興趣的目標(biāo)并輔助目標(biāo)追蹤。此外，通過(guò)利用人類(lèi)的視覺(jué)感知和判斷能力，所提出的方法使超構(gòu)表面及其智能平臺(tái)具有更多的自由度和更先進(jìn)的功能，為超構(gòu)表面提供了新的定義，并為認(rèn)知和智能超構(gòu)表面的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

審核編輯：黃飛