O esquema de uma metassuperfície inteligente. (a) Ilustração da metassuperfície inteligente proposta com as funções reprogramáveis auto-adaptativamente sem instrução manual. (b) O sistema de malha fechada da metassuperfície inteligente, que inclui uma metassuperfície de codificação digital, um FPGA, um sensor, e uma unidade de microcontrolador (MCU) carregada com o algoritmo de feedback rápido. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0205-3
Os cientistas de materiais visam projetar inteligência no tecido de materiais ou metamateriais para funções programáveis. Os esforços de engenharia podem variar de formas passivas a ativas para desenvolver metassuperfícies programáveis usando campos de ondas eletromagnéticos (EM) dinâmicos e arbitrários. Tais metasurfaces, Contudo, requerem controle manual para alternar entre as funções. Em um novo estudo agora publicado em Light:Ciência e Aplicações , Qian Ma e uma equipe de pesquisa interdisciplinar no State Key Laboratory, Ciência e tecnologia do ciberespaço, e o Departamento de Eletrônica da China projetou uma metassuperfície inteligente para programação auto-adaptativa.
Usando um sistema de detecção de feedback não tripulado, a metassuperfície inteligente detalhou ambientes ambientais com sensores adicionais, ao lado do ajuste adaptativo de sua funcionalidade operacional EM. Como prova de conceito, a equipe desenvolveu experimentalmente uma metassuperfície inteligente sensível ao movimento integrada em um giroscópio de três eixos (para medir ou manter o movimento rotacional) com capacidade de auto-ajustar os feixes de radiação EM girando a metassuperfície. Ma et al. desenvolveu um algoritmo de feedback online dentro do software de controle para orientar as metassuperfícies inteligentes e realizar reações dinâmicas adaptativas. Eles estenderam as metasuperfícies propostas para sensores físicos para programar a detecção de umidade, temperatura ou iluminação de luz. A estratégia de engenharia de materiais abrirá um novo caminho para desenvolver dispositivos programáveis sem a participação humana para sentir e detectar movimento em um ambiente.
Metamateriais têm propriedades eletromagnéticas notáveis introduzidas por suas estruturas de sub-comprimento de onda e arranjo funcional. As metassuperfícies podem superar os desafios normalmente encontrados em metamateriais em massa para manipular fortemente as ondas EM para a formação da frente de onda, controle de radiação e conversão de polarização. Devido à versatilidade das metassuperfícies, equipes de pesquisa propuseram uma variedade de aplicações, incluindo imagens, invisibilidade e ilusão, bem como reflexão e refração anômalas; focado principalmente em modulações contínuas em metassuperfícies. Para explorar novas perspectivas de metassuperfícies, equipes de pesquisa se propuseram a vincular a física da metassuperfície à ciência da informação digital. Para explorar os novos recursos das metasuperfícies, pesquisadores propuseram metassuperfícies de codificação digital para incluir física, ciência da informação e processamento digital de sinais. Contudo, tais sistemas permanecem sob controle humano (manual).
O esquema de uma metassuperfície inteligente e o método de estudo proposto. O sistema de loop fechado da metassuperfície inteligente, que inclui uma metassuperfície de codificação digital, um FPGA, um sensor, e uma unidade de microcontrolador (MCU) carregada com o algoritmo de feedback rápido. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0205-3
No presente trabalho, Ma et al. propôs e desenvolveu uma metassuperfície de codificação digital inteligente com capacidade auto-adaptativa para funcionalidade reprogramável; implementado pela própria superfície do material. A metassuperfície usou independentemente modulações de feedback específicas para posições espaciais e outras alterações. A equipe incluiu um sensor de giroscópio, um sistema de controle inteligente e algoritmo de feedback rápido na configuração experimental para realizar funções reprogramáveis auto-adaptativas - sem ajuda humana. A plataforma metassuperficial aberta aplicada a diversos sensores e sua inclusão para alcançar elegantes mecanismos de feedback de detecção. Ma et al. vislumbrar que o trabalho preliminar abrirá o caminho para o desenvolvimento de metassuperfícies inteligentes e cognitivas no futuro.
Na configuração experimental, eles usaram um sensor na metassuperfície para detectar características específicas ao redor da construção no ambiente e entregá-las a uma unidade de microcontrolador (MCU). O MCU determinou independentemente as reações a essas variações e, em seguida, instruiu o field programmable gate array (FPGA) por meio de padrões de codificação, para alterar a configuração da meta-superfície em tempo real. As metassuperfícies inteligentes alcançaram funcionalidade reprogramável auto-adaptativa automaticamente com base no sistema de feedback de detecção instalado na superfície e software de cálculo. A excelente compatibilidade de superfície do MCU permitiu Ma et al. para integrar uma variedade de sensores à metassuperfície inteligente para detectar com mais graus de liberdade.
ESQUERDA:A estrutura e o desempenho da meta-superfície reprogramável de 2 bits projetada. (a) A configuração da metassuperfície inteligente proposta. (b) A estrutura detalhada da unidade da metassuperfície de codificação digital de 2 bits. (c e d) As respostas de fase e amplitude da metassuperfície de codificação digital de 2 bits, com cores diferentes usadas para indicar quatro estados digitais. (e e f) As vistas frontal e posterior da metassuperfície fabricada. À DIREITA:A ilustração de dois esquemas para o princípio de auto-adaptação espacial. (a) A ilustração do Esquema A:direcionamento do feixe. (b) As situações em que a metassuperfície gira em diferentes ângulos de elevação (φ), nomeadamente, 20 °, 40 °, e 60 °, em que o ângulo de azimute é fixado em 270 °. (c) As situações em que a metassuperfície gira por diferentes ângulos de azimute (θ), nomeadamente, 200 °, 220 °, e 240 °, em que o ângulo de elevação é fixado em 60 °. (d) As situações para modulação multifeixe. Quando a metassuperfície gira, um feixe olha para 0 °, e o outro feixe gira em relação à metassuperfície de 0 ° a 60 °. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0205-3.
Para demonstrar os princípios de funcionamento da manipulação de feixe inteligente, a equipe estudou uma situação específica na comunicação por satélite com um avião voador. Eles substituíram os dispositivos tradicionais por um simples, metassuperfície inteligente contendo um sensor de giroscópio e um MCU. Durante o design, eles incluíram o sensor e o microcontrolador escritos com o algoritmo de design inverso rápido na parte de trás de uma metassuperfície programável. Eles propuseram o uso de um elemento digital de dois bits contendo dois diodos PIN para construir a metassuperfície programável. Os pesquisadores usaram os circuitos equivalentes do diodo PIN nos estados "ligado" e "desligado" em simulações de junta de circuito de campo. Para entender o desempenho dos controles adaptativos, a equipe apresentou dois esquemas representativos (A e B).
Para simulações e demonstrações experimentais, Ma et al. projetou e desenvolveu uma metassuperfície de codificação digital inteligente contendo 30 x 30 elementos. Eles observaram desvios entre simulações e medições no esquema A devido a processos de fabricação de cartão impresso de maneira imperfeita, erros de operações manuais na configuração de medição, e iluminação de onda plana não ideal. Para modulações multifeixe do esquema B, os cientistas observaram consistência entre as simulações e medições, enquanto a ligeira taxa de erro entre eles resultou de fabricação não ideal e operações manuais.
ESQUERDA:Os padrões de codificação digital projetados e os resultados simulados e experimentais para o Esquema A, em que os resultados de campo distante simulados da metade superior do espaço para as seis situações são listados ao lado dos padrões de codificação; as comparações entre os resultados simulados e experimentais de campo distante para as seis situações estão listadas abaixo dos padrões de codificação. Aqui, os resultados simulados e experimentais de campo distante são marcados com vermelho e azul, respectivamente. (a – c) Os três estados de rotação em φ, com os feixes de deflexão em ângulos de elevação de 20 °, 40 °, e 60 °, em que o ângulo de azimute é fixado em 270 °. (d – f) Os três estados de rotação em θ, com os feixes de deflexão em ângulos de azimute de 200 °, 220 °, e 240 °, em que o ângulo de elevação é fixado em 60 °. À DIREITA:A manipulação inteligente de feixe múltiplo. (uma, d, g, e j) Os padrões de codificação calculados para diferentes estados de rotação. (b, e, h, e k) Os resultados de campo distante simulados quando a metassuperfície gira de 0 ° a 60 °. (c, f, eu, e l) Os resultados de campo distante medidos quando a metassuperfície gira de 0 ° a 60 ° Credit:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0205-3.
A metassuperfície inteligente mostrou capacidade para funções de detecção estendidas e a capacidade de incluir vários sensores. Por exemplo, diversos sensores na metassuperfície inteligente podem detectar e reagir a uma variedade de estímulos. A equipe de pesquisa mostrou a capacidade dos sensores de luz embutidos de detectar a intensidade da luz visível para produzir uma porcentagem de intensidade. Ma et al. usou os sensores para combinar estímulos ópticos-visíveis com radiação de microondas. Para validar seu projeto experimentalmente, a equipe de pesquisa desenvolveu cinco sensores, incluindo um giroscópio, sensor de luz, sensor de umidade, sensor de altura e sensor de calor em uma metassuperfície montada. Eles então demonstraram o processo de reação de detecção de luz simulando e medindo dois padrões de radiação marcados por linhas vermelhas e azuis; em bom acordo entre as simulações e os experimentos.
Desta maneira, Ma et al. estudou modulações automáticas de feixe único e múltiplo usando a metassuperfície inteligente. Eles pré-calcularam os padrões de codificação e os armazenaram no MCU (unidade de microcontrolador) para realizar as funções programáveis necessárias, independentemente da manipulação em tempo real. Estruturalmente, a arquitetura metassuperficial incluiu três partes principais; unidades programáveis, um FPGA (field programmable gate array) e sensores. Os cientistas calcularam os padrões de codificação correspondentes aos ângulos de rotação para configurar um banco de dados armazenado no MCU para atingir as funções necessárias em tempo real. Como resultado, eles desenvolveram diversas funções programando vários algoritmos no MCU para simulações numéricas e verificações experimentais.
ESQUERDA:Uma ilustração da plataforma metassuperfície inteligente. (a) A metassuperfície inteligente integrada com vários sensores. (bec) As reações distintas de acordo com o sensor de luz:radiação de feixe duplo para o estado de luz e redução de RCS para o estado de escuro. (d) Uma fotografia da metassuperfície inteligente montada. (eef) Os resultados simulados e medidos para radiação de feixe duplo e redução de RCS. À DIREITA:O processo de cálculo do padrão de codificação e sua análise de erro de projeto. (a) A ilustração das deflexões do feixe no primeiro quadrante. (b) A distribuição do ângulo de erro para deflexões do feixe no primeiro quadrante (θ e φ variam de 1 ° a 90 °). (c) O processo de cálculo para a seqüência de codificação digital. (d) O padrão de codificação digital calculado. (e) O resultado do campo distante simulado na metade superior do espaço. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0205-3.
A proposta auto-adaptativa, Metassuperfície de codificação digital contém um mecanismo completo de detecção e feedback realizado como uma metassuperfície inteligente, sem controle humano. Sensores adicionais conseguiram conectar estímulos ópticos e modulações de microondas. Os resultados experimentais concordaram bem com simulações numéricas para validar os mecanismos de feedback de sensoriamento adaptativo. A equipe de pesquisa estabeleceu uma variedade de metassuperfícies inteligentes no estudo, equipado com sensores relevantes para as aplicações esperadas. O conceito proposto irá oferecer uma nova definição para metassuperfícies e abrir caminho para o desenvolvimento de construtos de metamateriais cognitivos e inteligentes.
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