Le schéma d'une métasurface intelligente. (a) Illustration de la métasurface intelligente proposée avec les fonctions auto-adaptatives reprogrammables sans instruction manuelle. (b) Le système en boucle fermée de la métasurface intelligente, qui comprend une métasurface de codage numérique, un FPGA, un capteur, et une unité de microcontrôleur (MCU) chargée de l'algorithme de rétroaction rapide. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0205-3
Les scientifiques des matériaux visent à intégrer l'intelligence dans le tissu des matériaux ou des métamatériaux pour des fonctions programmables. Les efforts d'ingénierie peuvent varier des formes passives aux formes actives pour développer des métasurfaces programmables à l'aide de champs d'ondes électromagnétiques (EM) dynamiques et arbitraires. De telles métasurfaces, cependant, nécessitent une commande manuelle pour basculer entre les fonctions. Dans une nouvelle étude maintenant publiée sur Lumière :science et applications , Qian Ma et une équipe de recherche interdisciplinaire du State Key Laboratory, Science et technologie du cyberespace, et le Département d'électronique en Chine a conçu une métasurface intelligente pour une programmation auto-adaptative.
En utilisant un système de détection de rétroaction sans pilote, les environnements ambiants détaillés de la métasurface intelligente avec des capteurs supplémentaires, parallèlement à l'ajustement adaptatif de sa fonctionnalité opérationnelle EM. Comme preuve de concept, l'équipe a développé expérimentalement une métasurface intelligente sensible au mouvement intégrée dans un gyroscope à trois axes (pour mesurer ou maintenir le mouvement de rotation) avec la capacité d'auto-ajuster les faisceaux de rayonnement EM en faisant tourner la métasurface. Ma et al. développé un algorithme de rétroaction en ligne dans le logiciel de contrôle pour orienter les métasurfaces intelligentes et effectuer des réactions dynamiques adaptatives. Ils ont étendu les métasurfaces proposées aux capteurs physiques pour programmer la détection d'humidité, température ou éclairage lumineux. La stratégie d'ingénierie des matériaux ouvrira une nouvelle voie pour développer des dispositifs programmables sans participation humaine pour détecter et détecter le mouvement dans un environnement ambiant.
Les métamatériaux ont des propriétés électromagnétiques remarquables introduites par leurs structures sous-longueur d'onde et leur agencement fonctionnel. Les métasurfaces peuvent surmonter les défis généralement rencontrés dans les métamatériaux en vrac pour manipuler fortement les ondes EM pour la mise en forme du front d'onde, contrôle du rayonnement et conversion de polarisation. En raison de la polyvalence des métasurfaces, les équipes de recherche ont proposé une variété d'applications dont l'imagerie, l'invisibilité et l'illusion, ainsi qu'une réflexion et une réfraction anormales; principalement axé sur les modulations continues sur les métasurfaces. Explorer de nouvelles perspectives de métasurfaces, équipes de recherche ont proposé de lier physique des métasurfaces et science de l'information numérique. Pour explorer les nouvelles capacités des métasurfaces, les chercheurs ont proposé des métasurfaces de codage numérique pour inclure la physique, informatique et traitement numérique du signal. Cependant, ces systèmes restent sous contrôle humain (manuel).
Le schéma d'une métasurface intelligente et la méthode d'étude proposée. Le système en boucle fermée de la métasurface intelligente, qui comprend une métasurface de codage numérique, un FPGA, un capteur, et une unité de microcontrôleur (MCU) chargée de l'algorithme de rétroaction rapide. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0205-3
Dans le travail present, Ma et al. proposé et développé une métasurface de codage numérique intelligente avec une capacité d'auto-adaptation pour une fonctionnalité reprogrammable ; mis en œuvre par la surface du matériau elle-même. La métasurface a utilisé indépendamment des modulations de rétroaction spécifiques pour les positions spatiales et d'autres altérations. L'équipe comprenait un capteur gyroscope, un système de contrôle intelligent et un algorithme de rétroaction rapide dans la configuration expérimentale pour réaliser des fonctions reprogrammables auto-adaptatives, sans aide humaine. La plate-forme de métasurface ouverte appliquée à divers capteurs et leur inclusion pour obtenir des mécanismes de détection-rétroaction élégants. Ma et al. Je pense que les travaux préliminaires ouvriront la voie au développement de métasurfaces intelligentes et cognitives à l'avenir.
Dans le montage expérimental, ils ont utilisé un capteur sur la métasurface pour détecter des caractéristiques spécifiques entourant la construction dans l'environnement et les transmettre à une unité de microcontrôleur (MCU). Le MCU a déterminé indépendamment les réactions à ces variations, puis a instruit le réseau de portes programmable sur le terrain (FPGA) via des modèles de codage, pour changer la configuration de la métasurface en temps réel. Les métasurfaces intelligentes ont obtenu une fonctionnalité reprogrammable auto-adaptative automatiquement basée sur le système de détection-rétroaction et le logiciel de calcul installés en surface. L'excellente compatibilité de surface du MCU a permis à Ma et al. pour intégrer une variété de capteurs à la métasurface intelligente pour détecter avec plus de degrés de liberté.
À GAUCHE :La structure et les performances de la métasurface reprogrammable 2 bits conçue. (a) La configuration de la métasurface intelligente proposée. (b) La structure unitaire détaillée de la métasurface de codage numérique à 2 bits. (c et d) Les réponses en phase et en amplitude de la métasurface de codage numérique à 2 bits, avec différentes couleurs utilisées pour indiquer quatre états numériques. (e et f) Les vues avant et arrière de la métasurface fabriquée. DROITE :L'illustration de deux schémas pour le principe d'auto-adaptation spatiale. (a) L'illustration du schéma A :direction du faisceau. (b) Les situations où la métasurface tourne selon différents angles d'élévation (φ), à savoir, 20°, 40°, et 60°, dans laquelle l'angle d'azimut est fixé à 270°. (c) Les situations où la métasurface tourne selon différents angles d'azimut (θ), à savoir, 200°, 220°, et 240°, dans laquelle l'angle d'élévation est fixé à 60°. (d) Les situations pour la modulation multifaisceaux. Lorsque la métasurface tourne, un faisceau fixe à 0°, et l'autre faisceau tourne par rapport à la métasurface de 0° à 60°. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0205-3.
Démontrer les principes de fonctionnement de la manipulation intelligente des faisceaux, l'équipe a étudié une situation particulière de communication par satellite avec un avion volant. Ils ont remplacé les appareils traditionnels par un simple, métasurface intelligente contenant un capteur gyroscope et un MCU. Lors de la conception, ils comprenaient le capteur et le microcontrôleur écrits avec l'algorithme de conception inverse rapide à l'arrière d'une métasurface programmable. Ils ont proposé l'utilisation d'un élément numérique à deux bits contenant deux diodes PIN pour construire la métasurface programmable. Les chercheurs ont utilisé les circuits équivalents de la diode PIN dans les états « on » et « arrêt » dans des simulations conjointes de circuits de champ. Pour comprendre les performances des commandes adaptatives, l'équipe a présenté deux schémas représentatifs (A et B).
Pour les simulations et démonstrations expérimentales, Ma et al. conçu et développé une métasurface de codage numérique intelligente contenant 30 x 30 éléments. Ils ont observé des écarts entre les simulations et les mesures dans le schéma A dus à des procédés de fabrication de circuits imprimés imparfaits, erreurs d'opérations manuelles dans la configuration de mesure, et un éclairage à ondes planes non idéal. Pour les modulations multifaisceaux du schéma B, les scientifiques ont observé une cohérence entre les simulations et les mesures, tandis que le faible taux d'erreur entre eux résultait d'une fabrication non idéale et d'opérations manuelles.
À GAUCHE : les modèles de codage numérique conçus et les résultats simulés et expérimentaux pour le schéma A, dans lequel les résultats de champ lointain simulés du demi-espace supérieur pour les six situations sont listés à côté des modèles de codage ; les comparaisons entre les résultats simulés et expérimentaux en champ lointain pour les six situations sont énumérées sous les modèles de codage. Ici, les résultats simulés et expérimentaux en champ lointain sont marqués en rouge et bleu, respectivement. (a–c) Les trois états de rotation dans , avec les faisceaux déviants à des angles d'élévation de 20°, 40°, et 60°, dans laquelle l'angle d'azimut est fixé à 270°. (d–f) Les trois états de rotation dans , avec les faisceaux déviants à des angles d'azimut de 200°, 220°, et 240°, dans laquelle l'angle d'élévation est fixé à 60°. À DROITE :La manipulation intelligente à faisceaux multiples. (une, ré, g, et j) les modèles de codage calculés pour différents états de rotation. (b, e, h, et k) Le champ lointain simulé est obtenu lorsque la métasurface tourne de 0° à 60°. (c, F, je, et l) Les résultats mesurés en champ lointain lorsque la métasurface tourne de 0° à 60° Crédit :Lumière :Science et applications, doi:10.1038/s41377-019-0205-3.
La métasurface intelligente a montré une capacité pour des fonctions de détection étendues et la possibilité d'inclure plusieurs capteurs. Par exemple, divers capteurs sur la métasurface intelligente pourraient détecter et réagir à une variété de stimuli. L'équipe de recherche a montré la capacité des capteurs de lumière intégrés à détecter l'intensité de la lumière visible pour produire un pourcentage d'intensité. Ma et al. utilisé les capteurs pour combiner des stimuli optiques visibles avec un rayonnement micro-ondes. Pour valider leur conception expérimentalement, l'équipe de recherche a développé cinq capteurs dont un gyroscope, capteur de lumière, capteur d'humidité, capteur de hauteur et capteur de chaleur sur une métasurface assemblée. Ils ont ensuite démontré le processus de réaction de détection de la lumière en simulant et en mesurant deux diagrammes de rayonnement marqués par des lignes rouges et bleues; en bon accord entre les simulations et les expériences.
De cette façon, Ma et al. ont étudié les modulations automatiques monofaisceaux et multifaisceaux à l'aide de la métasurface intelligente. Ils ont précalculé les modèles de codage et les ont stockés dans le MCU (unité de microcontrôleur) pour réaliser les fonctions programmables requises indépendamment de la manipulation en temps réel. Structurellement, l'architecture de la métasurface comprenait trois parties principales; unités programmables, un FPGA (field programmable gate array) et des capteurs. Les scientifiques ont calculé les modèles de codage correspondant aux angles de rotation pour configurer une base de données stockée dans le MCU afin de réaliser les fonctions requises en temps réel. Par conséquent, ils ont développé diverses fonctions en programmant plusieurs algorithmes dans le MCU pour des simulations numériques et des vérifications expérimentales.
GAUCHE :Une illustration de la plateforme de métasurface intelligente. (a) La métasurface intelligente intégrée à plusieurs capteurs. (b et c) Les réactions distinctes selon le capteur de lumière :rayonnement double faisceau pour l'état clair et réduction RCS pour l'état sombre. (d) Une photographie de la métasurface intelligente assemblée. (e et f) Les résultats simulés et mesurés pour le rayonnement à double faisceau et la réduction du RCS. À DROITE :Le processus de calcul du modèle de codage et son analyse des erreurs de conception. (a) L'illustration des déflexions du faisceau dans le premier quadrant. (b) La distribution de l'angle d'erreur pour les déflexions du faisceau dans le premier quadrant (θ et varient de 1° à 90°). (c) Le processus de calcul de la séquence de codage numérique. (d) Le modèle de codage numérique calculé. (e) Le résultat en champ lointain simulé dans le demi-espace supérieur. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0205-3.
L'auto-adaptatif proposé, la métasurface de codage numérique contient un mécanisme complet de détection et de rétroaction réalisé sous la forme d'une métasurface intelligente, sans contrôle humain. Des capteurs supplémentaires ont réussi à connecter des stimuli optiques et des modulations micro-ondes. Les résultats expérimentaux concordent bien avec les simulations numériques pour valider les mécanismes adaptatifs de détection et de rétroaction. L'équipe de recherche a établi une variété de métasurfaces intelligentes dans l'étude, équipé de capteurs adaptés aux applications attendues. Le concept proposé offrira une nouvelle définition des métasurfaces et ouvrira la voie au développement de constructions cognitives et intelligentes de métamatériaux.
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