El esquema de una metasuperficie inteligente. (a) Ilustración de la metasuperficie inteligente propuesta con las funciones autoadaptables reprogramables sin instrucción manual. (b) El sistema de circuito cerrado de la metasuperficie inteligente, que incluye una metasuperficie de codificación digital, una FPGA, un sensor, y una unidad de microcontrolador (MCU) cargada con el algoritmo de retroalimentación rápida. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0205-3
Los científicos de materiales tienen como objetivo diseñar inteligencia en el tejido de materiales o metamateriales para funciones programables. Los esfuerzos de ingeniería pueden variar de formas pasivas a activas para desarrollar metasuperficies programables utilizando campos de ondas electromagnéticos (EM) dinámicos y arbitrarios. Tales metasuperficies, sin embargo, requieren control manual para cambiar entre funciones. En un nuevo estudio ahora publicado en Luz:ciencia y aplicaciones , Qian Ma y un equipo de investigación interdisciplinario en el State Key Laboratory, Ciencia y Tecnología del Ciberespacio, y el Departamento de Electrónica de China diseñó una metasuperficie inteligente para la programabilidad autoadaptable.
Usando un sistema de detección de retroalimentación no tripulado, los entornos ambientales detallados de metasuperficie inteligente con sensores adicionales, junto con el ajuste adaptativo de su funcionalidad operativa EM. Como prueba de concepto, El equipo desarrolló experimentalmente una metasuperficie inteligente sensible al movimiento integrada en un giroscopio de tres ejes (para medir o mantener el movimiento de rotación) con la capacidad de autoajustar los rayos de radiación EM girando la metasuperficie. Ma et al. desarrolló un algoritmo de retroalimentación en línea dentro del software de control para dirigir las metasuperficies inteligentes y realizar reacciones dinámicas adaptativas. Extendieron las metasuperficies propuestas a sensores físicos para programar la detección de humedad, temperatura o iluminación ligera. La estrategia de ingeniería de materiales abrirá una nueva vía para desarrollar dispositivos programables sin participación humana para sentir y detectar movimiento en un entorno ambiental.
Los metamateriales tienen propiedades electromagnéticas notables introducidas por sus estructuras de sublongitud de onda y disposición funcional. Las metauperficies pueden superar los desafíos que se encuentran típicamente en metamateriales masivos para manipular fuertemente las ondas EM para dar forma al frente de onda, control de radiación y conversión de polarización. Debido a la versatilidad de las metasuperficies, Los equipos de investigación propusieron una variedad de aplicaciones que incluyen imágenes, invisibilidad e ilusión, así como reflexión y refracción anómala; enfocado principalmente en modulaciones continuas en metasuperficies. Para explorar nuevas perspectivas de metasuperficies, Los equipos de investigación propusieron vincular la física de la metasuperficie y la ciencia de la información digital. Para explorar las nuevas capacidades de las metasuperficies, Los investigadores propusieron metasuperficies de codificación digital para incluir la física, ciencia de la información y procesamiento de señales digitales. Sin embargo, tales sistemas permanecen bajo control humano (manual).
El esquema de una metasuperficie inteligente y el método de estudio propuesto. El sistema de circuito cerrado de la metasuperficie inteligente, que incluye una metasuperficie de codificación digital, una FPGA, un sensor, y una unidad de microcontrolador (MCU) cargada con el algoritmo de retroalimentación rápida. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0205-3
En el presente trabajo, Ma et al. propuso y desarrolló una metasuperficie de codificación digital inteligente con capacidad autoadaptable para funciones reprogramables; implementado por la propia superficie del material. La metasuperficie utilizó de forma independiente modulaciones de retroalimentación específicas para posiciones espaciales y otras alteraciones. El equipo incluyó un sensor de giroscopio, un sistema de control inteligente y un algoritmo de retroalimentación rápida en la configuración experimental para realizar funciones reprogramables autoadaptables, sin ayuda humana. La plataforma de metasuperficie abierta aplicada a diversos sensores y su inclusión para lograr elegantes mecanismos de retroalimentación de detección. Ma et al. imagina que el trabajo preliminar allanará el camino hacia el desarrollo de metasuperficies inteligentes y cognitivas en el futuro.
En la configuración experimental, utilizaron un sensor en la metasuperficie para detectar características específicas que rodean la construcción en el entorno y enviarlas a una unidad de microcontrolador (MCU). La MCU determinó de forma independiente las reacciones a estas variaciones y luego instruyó a la matriz de puertas programables de campo (FPGA) a través de patrones de codificación, para cambiar la configuración de la metasuperficie en tiempo real. Las metasuperficies inteligentes lograron una funcionalidad reprogramable autoadaptativa basada automáticamente en el sistema de retroalimentación de detección y el software de cálculo instalados en la superficie. La excelente compatibilidad superficial del MCU permitió a Ma et al. para integrar una variedad de sensores a la metasuperficie inteligente para detectar con más grados de libertad.
IZQUIERDA:La estructura y el rendimiento de la metasuperficie reprogramable de 2 bits diseñada. (a) La configuración de la metasuperficie inteligente propuesta. (b) La estructura unitaria detallada de la metasuperficie de codificación digital de 2 bits. (cyd) Las respuestas de fase y amplitud de la metasuperficie de codificación digital de 2 bits, con diferentes colores utilizados para indicar cuatro estados digitales. (eyf) Las vistas frontal y posterior de la metasuperficie fabricada. DERECHA:Ilustración de dos esquemas del principio de autoadaptación espacial. (a) La ilustración del esquema A:dirección del haz. (b) Las situaciones en las que la metasuperficie gira en diferentes ángulos de elevación (φ), a saber, 20 °, 40 °, y 60 °, en el que el ángulo de acimut se fija en 270 °. (c) Las situaciones en las que la metasuperficie gira en diferentes ángulos azimutales (θ), a saber, 200 °, 220 °, y 240 °, en el que el ángulo de elevación se fija en 60 °. (d) Las situaciones de modulación multihaz. Cuando la metasuperficie gira, un rayo mira fijamente a 0 °, y el otro haz gira con respecto a la metasuperficie de 0 ° a 60 °. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0205-3.
Para demostrar los principios de funcionamiento de la manipulación inteligente de haces, el equipo estudió una situación específica en la comunicación por satélite con un avión en vuelo. Reemplazaron los dispositivos tradicionales con un simple, Metasuperficie inteligente que contiene un sensor de giroscopio y un MCU. Durante el diseño, incluyeron el sensor y el microcontrolador escritos con el algoritmo de diseño inverso rápido en la parte posterior de una metasuperficie programable. Propusieron el uso de un elemento digital de dos bits que contiene dos diodos PIN para construir la metasuperficie programable. Los investigadores utilizaron los circuitos equivalentes del diodo PIN en los estados "encendido" y "apagado" dentro de las simulaciones de juntas de circuitos de campo. Para comprender el desempeño de los controles adaptativos, el equipo presentó dos esquemas representativos (A y B).
Para simulaciones y demostraciones experimentales, Ma et al. diseñó y desarrolló una metasuperficie de codificación digital inteligente que contiene 30 x 30 elementos. Observaron desviaciones entre simulaciones y mediciones en el esquema A debido a procesos de fabricación de tableros impresos de manera imperfecta. errores de operaciones manuales en la configuración de la medición, e iluminación de onda plana no ideal. Para modulaciones multihaz del esquema B, los científicos observaron coherencia entre las simulaciones y las mediciones, mientras que la ligera tasa de error entre ellos se debió a una fabricación no ideal y operaciones manuales.
IZQUIERDA:Los patrones de codificación digital diseñados y los resultados experimentales y simulados para el Esquema A, en el que los resultados de campo lejano simulados de la mitad superior del espacio para las seis situaciones se enumeran junto a los patrones de codificación; las comparaciones entre los resultados de campo lejano simulados y experimentales para las seis situaciones se enumeran debajo de los patrones de codificación. Aquí, los resultados de campo lejano simulados y experimentales están marcados con rojo y azul, respectivamente. (a – c) Los tres estados de rotación en φ, con los rayos deflectores en ángulos de elevación de 20 °, 40 °, y 60 °, en el que el ángulo de acimut se fija en 270 °. (d – f) Los tres estados de rotación en θ, con los rayos deflectores en ángulos acimutales de 200 °, 220 °, y 240 °, en el que el ángulo de elevación se fija en 60 °. DERECHA:La manipulación inteligente de haces múltiples. (a, D, gramo, y j) Los patrones de codificación calculados para diferentes estados de rotación. (B, mi, h, y k) El campo lejano simulado resulta cuando la metasuperficie rota de 0 ° a 60 °. (C, F, I, y l) Los resultados de campo lejano medidos cuando la metasuperficie rota de 0 ° a 60 ° Crédito:Luz:Ciencia y Aplicaciones, doi:10.1038 / s41377-019-0205-3.
La metasuperficie inteligente mostró capacidad para funciones de detección extendidas y la capacidad de incluir múltiples sensores. Por ejemplo, diversos sensores en la metasuperficie inteligente podrían detectar y reaccionar a una variedad de estímulos. El equipo de investigación demostró la capacidad de los sensores de luz integrados para detectar la intensidad de la luz visible para producir un porcentaje de intensidad. Ma et al. utilizó los sensores para combinar estímulos ópticos visibles con radiación de microondas. Para validar su diseño experimentalmente, el equipo de investigación desarrolló cinco sensores, incluido un giroscopio, sensor de luz, sensor de humedad, sensor de altura y sensor de calor en una metasuperficie ensamblada. Luego demostraron el proceso de reacción de detección de luz simulando y midiendo dos patrones de radiación marcados con líneas rojas y azules; en buen acuerdo entre las simulaciones y los experimentos.
De este modo, Ma et al. estudió modulaciones automáticas de haz único y haz múltiple utilizando la metasuperficie inteligente. Precalcularon los patrones de codificación y los almacenaron en la MCU (unidad de microcontrolador) para realizar las funciones programables requeridas independientemente de la manipulación en tiempo real. Estructuralmente la arquitectura de metasuperficie incluía tres partes principales; unidades programables, una FPGA (matriz de puertas programables en campo) y sensores. Los científicos calcularon los patrones de codificación correspondientes a los ángulos de rotación para configurar una base de datos almacenada en la MCU para lograr las funciones requeridas en tiempo real. Como resultado, desarrollaron diversas funciones programando múltiples algoritmos en la MCU para simulaciones numéricas y verificaciones experimentales.
IZQUIERDA:Una ilustración de la plataforma de metasuperficie inteligente. (a) La metasuperficie inteligente integrada con múltiples sensores. (byc) Las distintas reacciones según el sensor de luz:radiación de doble haz para el estado de luz y reducción de RCS para el estado de oscuridad. (d) Una fotografía de la metasuperficie inteligente ensamblada. (eyf) Los resultados simulados y medidos para la radiación de doble haz y la reducción de RCS. DERECHA:El proceso de cálculo del patrón de codificación y su análisis de errores de diseño. (a) La ilustración de las deflexiones de la viga en el primer cuadrante. (b) La distribución del ángulo de error para las deflexiones del haz en el primer cuadrante (θ y φ varían de 1 ° a 90 °). (c) El proceso de cálculo de la secuencia de codificación digital. (d) El patrón de codificación digital calculado. (e) El resultado de campo lejano simulado en la mitad superior del espacio. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0205-3.
El autoadaptativo propuesto, La metasuperficie de codificación digital contiene un mecanismo completo de detección y retroalimentación realizado como una metasuperficie inteligente, sin control humano. Sensores adicionales lograron conectar estímulos ópticos y modulaciones de microondas. Los resultados experimentales coincidieron bien con las simulaciones numéricas para validar los mecanismos adaptativos de detección y retroalimentación. El equipo de investigación estableció una variedad de metasuperficies inteligentes en el estudio, equipado con sensores relevantes para aplicaciones esperadas. El concepto propuesto ofrecerá una nueva definición de metasuperficies y allanará el camino hacia el desarrollo de constructos de metamateriales cognitivos e inteligentes.
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