Lo schema di una metasuperficie intelligente. (a) Illustrazione della metasuperficie intelligente proposta con le funzioni autoadattative riprogrammabili senza istruzioni manuali. (b) Il sistema a circuito chiuso della metasuperficie intelligente, che include una metasuperficie di codifica digitale, un FPGA, un sensore, e un'unità microcontrollore (MCU) caricata con l'algoritmo di feedback rapido. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0205-3
Gli scienziati dei materiali mirano a ingegnerizzare l'intelligenza nel tessuto di materiali o metamateriali per funzioni programmabili. Gli sforzi ingegneristici possono variare da forme passive a forme attive per sviluppare metasuperfici programmabili utilizzando campi d'onda elettromagnetici (EM) dinamici e arbitrari. Tali metasuperfici, però, richiedono il controllo manuale per passare da una funzione all'altra. In un nuovo studio ora pubblicato su Luce:scienza e applicazioni , Qian Ma e un team di ricerca interdisciplinare presso lo State Key Laboratory, Scienza e tecnologia del cyberspazio, e il Dipartimento di Elettronica in Cina ha progettato una metasuperficie intelligente per la programmabilità autoadattativa.
Utilizzando un sistema di rilevamento del feedback non presidiato, gli ambienti ambientali dettagliati della metasuperficie intelligente con sensori aggiuntivi, insieme alla regolazione adattativa della sua funzionalità operativa EM. Come prova del concetto, il team ha sviluppato sperimentalmente una metasuperficie intelligente sensibile al movimento integrata in un giroscopio a tre assi (per misurare o mantenere il movimento rotatorio) con la capacità di autoregolare i raggi di radiazione EM ruotando la metasuperficie. Ma et al. ha sviluppato un algoritmo di feedback online all'interno del software di controllo per guidare le metasuperfici intelligenti ed eseguire reazioni dinamiche adattive. Hanno esteso le metasuperfici proposte ai sensori fisici per programmare il rilevamento dell'umidità, temperatura o illuminazione. La strategia di ingegneria dei materiali aprirà una nuova strada per sviluppare dispositivi programmabili senza la partecipazione umana per rilevare e rilevare il movimento in un ambiente ambientale.
I metamateriali hanno notevoli proprietà elettromagnetiche introdotte dalle loro strutture a lunghezza d'onda e disposizione funzionale. Le metasuperfici possono superare le sfide tipicamente incontrate nei metamateriali sfusi per manipolare fortemente le onde EM per la modellatura del fronte d'onda, controllo della radiazione e conversione della polarizzazione. A causa della versatilità delle metasuperfici, gruppi di ricerca hanno proposto una varietà di applicazioni tra cui l'imaging, invisibilità e illusione, così come riflessione e rifrazione anomale; principalmente focalizzato su modulazioni continue sulle metasuperfici. Per esplorare nuove prospettive di metasuperfici, gruppi di ricerca hanno proposto di collegare la fisica delle metasuperfici e la scienza dell'informazione digitale. Per esplorare le nuove capacità delle metasuperfici, i ricercatori hanno proposto metasuperfici di codifica digitale per includere la fisica, scienza dell'informazione ed elaborazione del segnale digitale. Però, tali sistemi rimangono sotto il controllo umano (manuale).
Lo schema di una metasuperficie intelligente e il metodo di studio proposto. Il sistema a circuito chiuso della metasuperficie intelligente, che include una metasuperficie di codifica digitale, un FPGA, un sensore, e un'unità microcontrollore (MCU) caricata con l'algoritmo di feedback rapido. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0205-3
Nel presente lavoro, Ma et al. proposto e sviluppato una metasuperficie di codifica digitale intelligente con capacità autoadattativa per funzionalità riprogrammabili; implementato dalla superficie del materiale stesso. La metasuperficie utilizzava indipendentemente modulazioni di feedback specifiche per le posizioni spaziali e altre alterazioni. Il team includeva un sensore giroscopico, un sistema di controllo intelligente e un algoritmo di feedback rapido nella configurazione sperimentale per realizzare funzioni riprogrammabili autoadattative, senza l'aiuto umano. La piattaforma aperta di metasuperficie applicata a diversi sensori e la loro inclusione per ottenere eleganti meccanismi di feedback-sensing. Ma et al. immagina che il lavoro preliminare aprirà la strada allo sviluppo di metasuperfici intelligenti e cognitive in futuro.
Nella configurazione sperimentale, hanno usato un sensore sulla metasuperficie per rilevare caratteristiche specifiche che circondano il costrutto nell'ambiente e consegnarle a un'unità microcontrollore (MCU). L'MCU ha determinato in modo indipendente le reazioni a queste variazioni e quindi ha istruito l'array di porte programmabili sul campo (FPGA) tramite schemi di codifica, per modificare la configurazione della metasuperficie in tempo reale. Le metasuperfici intelligenti hanno ottenuto funzionalità riprogrammabili autoadattative automaticamente in base al sistema di feedback-feedback installato in superficie e al software di calcolo. L'eccellente compatibilità superficiale dell'MCU ha permesso a Ma et al. per integrare una varietà di sensori alla metasuperficie intelligente per rilevare con più gradi di libertà.
SINISTRA:La struttura e le prestazioni della metasuperficie riprogrammabile a 2 bit progettata. (a) La configurazione della metasuperficie intelligente proposta. (b) La struttura unitaria dettagliata della metasuperficie di codifica digitale a 2 bit. (c e d) Le risposte di fase e ampiezza della metasuperficie di codifica digitale a 2 bit, con diversi colori utilizzati per indicare quattro stati digitali. (e e f ) Le viste anteriore e posteriore della metasuperficie fabbricata. A DESTRA:L'illustrazione di due schemi per il principio spaziale autoadattativo. (a) L'illustrazione per lo Schema A:orientamento del fascio. (b) Le situazioni in cui la metasuperficie ruota di diversi angoli di elevazione (φ), vale a dire, 20°, 40°, e 60°, in cui l'angolo di azimut è fissato a 270°. (c) Le situazioni in cui la metasuperficie ruota di diversi angoli di azimut (θ), vale a dire, 200°, 220°, e 240°, in cui l'angolo di elevazione è fissato a 60°. (d) Le situazioni per la modulazione multibeam. Quando la metasuperficie ruota, un raggio fissa 0°, e l'altro raggio ruota rispetto alla metasuperficie da 0° a 60°. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0205-3.
Per dimostrare i principi di funzionamento della manipolazione del raggio intelligente, il team ha studiato una situazione specifica nella comunicazione satellitare con un aeroplano in volo. Hanno sostituito i dispositivi tradizionali con un semplice, metasuperficie intelligente contenente un sensore giroscopico e un MCU. Durante la progettazione, includevano il sensore e il microcontrollore scritti con l'algoritmo di progettazione inversa veloce sul retro di una metasuperficie programmabile. Hanno proposto l'uso di un elemento digitale a due bit contenente due diodi PIN per costruire la metasuperficie programmabile. I ricercatori hanno utilizzato i circuiti equivalenti del diodo PIN negli stati "on" e "off" all'interno delle simulazioni congiunte del circuito di campo. Per comprendere le prestazioni dei controlli adattivi, il team ha presentato due schemi rappresentativi (A e B).
Per simulazioni e dimostrazioni sperimentali, Ma et al. progettato e sviluppato una metasuperficie di codifica digitale intelligente contenente 30 x 30 elementi. Hanno osservato deviazioni tra simulazioni e misurazioni nello schema A dovute a processi di produzione di schede stampate in modo imperfetto, errori di operazioni manuali nella configurazione della misurazione, e illuminazione a onde piane non ideali. Per le modulazioni multibeam dello schema B, gli scienziati hanno osservato la coerenza tra le simulazioni e le misurazioni, mentre il leggero tasso di errore tra di loro derivava dalla fabbricazione non ideale e dalle operazioni manuali.
A SINISTRA:i modelli di codifica digitale progettati e i risultati simulati e sperimentali per lo Schema A, in cui i risultati simulati in campo lontano del semispazio superiore per le sei situazioni sono elencati accanto ai modelli di codifica; i confronti tra i risultati simulati e sperimentali in campo lontano per le sei situazioni sono elencati sotto i modelli di codifica. Qui, i risultati simulati e sperimentali in campo lontano sono contrassegnati in rosso e blu, rispettivamente. (a–c) I tre stati di rotazione in , con le travi deviatrici ad angoli di elevazione di 20°, 40°, e 60°, in cui l'angolo di azimut è fissato a 270°. (d–f) I tre stati di rotazione in , con i raggi deviatori ad angoli azimutali di 200°, 220°, e 240°, in cui l'angolo di elevazione è fissato a 60°. A DESTRA:La manipolazione intelligente a più raggi. (un, D, G, e j) I modelli di codifica calcolati per diversi stati di rotazione. (B, e, h, e k) Il campo lontano simulato risulta quando la metasuperficie ruota da 0° a 60°. (C, F, io, e l) Il campo lontano misurato risulta quando la metasuperficie ruota da 0° a 60° Credito:Luce:Scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0205-3.
La metasuperficie intelligente ha mostrato capacità per funzioni di rilevamento estese e la capacità di includere più sensori. Per esempio, diversi sensori sulla metasuperficie intelligente potrebbero rilevare e reagire a una varietà di stimoli. Il team di ricerca ha mostrato la capacità dei sensori di luce incorporati di rilevare l'intensità della luce visibile per produrre una percentuale di intensità. Ma et al. ha utilizzato i sensori per combinare stimoli ottici visibili con radiazioni a microonde. Per convalidare sperimentalmente il loro design, il team di ricerca ha sviluppato cinque sensori tra cui un giroscopio, sensore di luce, sensore di umidità, sensore di altezza e sensore di calore su una metasuperficie assemblata. Hanno quindi dimostrato il processo di reazione di rilevamento della luce simulando e misurando due schemi di radiazione contrassegnati da linee rosse e blu; in buon accordo tra le simulazioni e gli esperimenti.
In questo modo, Ma et al. ha studiato le modulazioni automatiche a raggio singolo e multiplo utilizzando la metasuperficie intelligente. Hanno precalcolato i modelli di codifica e li hanno archiviati nell'MCU (unità microcontrollore) per realizzare le funzioni programmabili richieste indipendentemente dalla manipolazione in tempo reale. Strutturalmente, l'architettura della metasuperficie comprendeva tre parti principali; unità programmabili, un FPGA (field programmable gate array) e sensori. Gli scienziati hanno calcolato i modelli di codifica corrispondenti agli angoli di rotazione per configurare un database memorizzato nell'MCU per ottenere le funzioni richieste in tempo reale. Di conseguenza, hanno sviluppato diverse funzioni programmando più algoritmi nell'MCU per simulazioni numeriche e verifiche sperimentali.
A SINISTRA:un'illustrazione della piattaforma smart metasurface. (a) La metasuperficie intelligente integrata con più sensori. (b e c) Le reazioni distinte secondo il sensore di luce:radiazione a doppio raggio per lo stato di luce e riduzione RCS per lo stato di buio. (d) Una fotografia della metasuperficie intelligente assemblata. (e e f) I risultati simulati e misurati per la radiazione a doppio raggio e la riduzione RCS. A DESTRA:Il processo di calcolo del modello di codifica e la sua analisi degli errori di progettazione. (a) L'illustrazione per le deviazioni del raggio nel primo quadrante. (b) La distribuzione dell'angolo di errore per le deviazioni del raggio nel primo quadrante (θ e variano da 1° a 90°). (c) Il processo di calcolo per la sequenza di codifica digitale. (d) Il modello di codifica digitale calcolato. (e) Il risultato simulato del campo lontano nella metà superiore dello spazio. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-019-0205-3.
La proposta autoadattativa, la metasuperficie di codifica digitale contiene un meccanismo completo di rilevamento e feedback realizzato come una metasuperficie intelligente, senza controllo umano. Sensori aggiuntivi sono riusciti a collegare stimoli ottici e modulazioni a microonde. I risultati sperimentali concordano bene con le simulazioni numeriche per convalidare i meccanismi di feedback e rilevamento adattivo. Il team di ricerca ha stabilito una varietà di metasuperfici intelligenti nello studio, dotato dei relativi sensori per le applicazioni previste. Il concetto proposto offrirà una nuova definizione per le metasuperfici e aprirà la strada allo sviluppo di costrutti di metamateriali cognitivi e intelligenti.
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