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工作室|基于腦電超表面的無線通信與多種電磁波調控

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工作室|基于腦電超表面的無線通信與多種電磁波調控

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工作室|基于腦電超表面的無線通信與多種電磁波調控

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微波射頻網 (MWRF.NET) 消息：近日 ， 東南大學崔鐵軍院士團隊聯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 ， 提出了一種基于P300電位檢測的電磁腦機超表面（EBCM）范式 ， 在國際上首次將基于P300的腦電誘發電位在電磁場域中無創地轉化為數字編碼信息 ， 實現意念操控的無線通信與多種電磁調控 。 相關研究工作以《Directly wireless communication of human minds via non-invasive brain-computer-metasurface platform》為題發表在《eLight》上[1
， 該論文的共同第一作者為東南大學馬騫博士（現為至善博后）和華南理工大學高煒博士 ， 李遠清教授、仇成偉教授和崔鐵軍院士為共同通訊作者 。

研究背景
近些年隨著腦科學的發展 ， 非侵入式腦機接口技術（BCI）設備可通過無創電極從頭皮表層收集自發或特異誘發的腦電圖(EEG)信號 ， 進而解碼操作員的意圖并向受控設備發送命令 ， 無需操作員的肌肉活動[2-4
。 P300電位、穩態視覺誘發電位(SSVEPs)和感覺運動節律是基于腦電圖的三種典型模式 。 基于P300的BCI可通過控制面板上相應按鈕的閃光引起的P300電位來識別操作者的意圖 ， 該技術已廣泛用于輔助殘疾人操控設備和醫療康復應用中 。
另外 ， 超表面作為二維超材料 ， 具有天然材料不具備的超常物理性質 ， 可靈活調制電磁波的振幅、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 。 2014年崔鐵軍院士課題組率先提出的信息超表面[5
， 彌合了電磁物理響應和超表面數字表征之間的鴻溝 ， 為超表面現場可編程地動態操縱電磁波和處理數字信息提供了理論基礎 ， 課題組依靠長期以來在現場可編程信息超表面的理論積累的技術積淀 ， 聯合華南理工大學李遠清教授團隊 ， 在國際上首次提出基于P300電位檢測的電磁腦機超表面（EBCM） ， 實現意念操控的無線通信與多種電磁調控 。
【工作室|基于腦電超表面的無線通信與多種電磁波調控】創新研究
研究團隊研發的EBCM平臺主要由基于P300的BCI和2bit可編程信息超表面構成（如圖1所示） 。 相關命令的顯示器放置在操作者的面前 ， 并且顯示器中的每一個按鈕代表著一種電磁編碼模式 ， 然后根據不同目標按鍵的閃爍 ， BCI可以將操作者的意識從基于P300的誘發電位轉化為電磁域中的數字編碼信息 ， 這些信息可以通過可編程信息超表面以自動化和無線方式進一步處理和傳輸 ， 可以實現視覺直接驅動的電磁波束掃描、多種空間波調制和模式編碼 。 在視覺驅動波束掃描案例中 ， 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實（AR）技術相結合 ， 并在自適應意念無線通信和智能雷達檢測中找到更多應用 。

圖1 電磁腦機超表面（EBCM）的人腦意識操控電磁場原理
此外 ， 研究團隊設計并實驗演示了基于EBCM的無線文本通信 ， 如圖2所示 。 研究團隊為 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超表面反射幅度的區分 ， 分別對應于編碼“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作為文本發送者 ， 通過目視EBCM圖形用戶界面上的字符按鈕來發送字母 。 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上實現以切換時變模式 ， 操控超表面向空間中發送信息 ， 并由另一個操作員的EBCM接收、解調和呈現 。

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