Schemat över en smart metayta. (a) Illustration av den föreslagna smarta metasytan med de självanpassningsbara omprogrammerbara funktionerna utan manuell instruktion. (b) systemet för slutna kretsar för den smarta metasytan, som inkluderar en digitalkodande metasyta, en FPGA, en sensor, och en mikrokontrollenhet (MCU) laddad med algoritmen för snabb återkoppling. Upphovsman:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0205-3
Materialforskare syftar till att utveckla intelligens i material- eller metamaterial för programmerbara funktioner. Tekniska insatser kan variera från passiva till aktiva former för att utveckla programmerbara metasytor med dynamiska och godtyckliga elektromagnetiska (EM) vågfält. Sådana metasytor, dock, kräver manuell kontroll för att växla mellan funktioner. I en ny studie nu publicerad på Ljus:Vetenskap och applikationer , Qian Ma och ett tvärvetenskapligt forskargrupp i State Key Laboratory, Cyberspace Science and Technology, och avdelningen för elektronik i Kina konstruerade en smart metasyta för självanpassad programmerbarhet.
Med hjälp av ett obemannat feedback -avkänningssystem, den smarta metaytan detaljerade omgivande miljöer med ytterligare sensorer, tillsammans med adaptiv justering av dess EM -funktionalitet. Som bevis på konceptet, laget utvecklade experimentellt en rörelsekänslig smart metayta integrerad i ett tre-axligt gyroskop (för att mäta eller bibehålla rotationsrörelse) med förmåga att självjustera EM-strålningsstrålarna genom att rotera metasytan. Ma et al. utvecklat en online -feedbackalgoritm inom kontrollprogramvaran för att styra de smarta metasytorna och utföra adaptiva dynamiska reaktioner. De utökade de föreslagna metasytorna till fysiska sensorer för att programmera fuktdetektering, temperatur eller ljusbelysning. Materialteknikstrategin öppnar en ny väg för att utveckla programmerbara enheter utan mänskligt deltagande för att känna och upptäcka rörelse i en omgivande miljö.
Metamaterial har anmärkningsvärda elektromagnetiska egenskaper som introduceras av deras subvåglängdsstrukturer och funktionella arrangemang. Metasurfaces kan övervinna utmaningar som vanligtvis påträffas i bulkmetamaterial för att starkt manipulera EM -vågor för vågfrontsformning, strålningskontroll och polarisationsomvandling. På grund av metasytornas mångsidighet, forskargrupper föreslog en mängd olika tillämpningar, inklusive bildbehandling, osynlighet och illusion, liksom avvikande reflektion och brytning; fokuserade främst på kontinuerliga moduleringar på metasytor. För att utforska nya perspektiv på metasytor, forskargrupper föreslog att länka metasurface -fysik och digital informationsvetenskap. För att utforska metasurfaces nya funktioner, forskare föreslog digitalkodande metasytor för att inkludera fysik, informationsvetenskap och digital signalbehandling. Dock, sådana system förblir under mänsklig (manuell) kontroll.
Schemat över en smart metasyta och den föreslagna metoden. Det slutna systemet med den smarta metasytan, som inkluderar en digitalkodande metasyta, en FPGA, en sensor, och en mikrokontrollenhet (MCU) laddad med algoritmen för snabb återkoppling. Upphovsman:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0205-3
I det nuvarande arbetet, Ma et al. föreslagit och utvecklat en smart digitalkodande metasyta med självanpassad kapacitet för omprogrammerbar funktionalitet; implementeras av själva materialytan. Metasytan använde oberoende specifika återkopplingsmoduleringar för rumsliga positioner och andra förändringar. Teamet inkluderade en gyroskopsensor, ett intelligent styrsystem och snabb återkopplingsalgoritm in i experimentuppsättningen för att förverkliga självanpassade omprogrammerbara funktioner-utan mänskligt stöd. Den öppna metasurface-plattformen tillämpas på olika sensorer och deras införande för att uppnå eleganta sensing-feedback-mekanismer. Ma et al. tänk dig att det inledande arbetet kommer att bana väg för att utveckla intelligenta och kognitiva metasytor i framtiden.
I den experimentella inställningen, de använde en sensor på metasytan för att upptäcka specifika funktioner som omger konstruktionen i miljön och leverera dem till en mikrokontrollenhet (MCU). MCU bestämde oberoende reaktioner på dessa variationer och instruerade sedan fältprogrammerbar grindmatris (FPGA) via kodningsmönster, för att ändra metasurface -konfigurationen i realtid. De smarta metasytorna uppnådde självanpassad omprogrammerbar funktionalitet automatiskt baserat på det ytinstallerade avkännings-feedback-systemet och beräkningsprogram. Den utmärkta ytkompatibiliteten för MCU tillät Ma et al. att integrera en mängd olika sensorer till den smarta metasytan för att känna med fler frihetsgrader.
VÄNSTER:Strukturen och prestandan för den designade 2-bitars omprogrammerbara metasytan. (a) Konfigurationen av den föreslagna smarta metasytan. (b) Den detaljerade enhetsstrukturen för 2-bitars digital kodningsmetasyta. (c och d) Fas- och amplitudsvaret för 2-bitars digital kodningsmetasyta, med olika färger som används för att indikera fyra digitala tillstånd. (e och f) Framsidan och baksidan av den tillverkade metasytan. HÖGER:Illustrationen av två scheman för den rumsliga självanpassade principen. (a) Illustrationen för schema A:balkstyrning. (b) Situationerna där metaytan roterar med olika höjdvinklar (φ), nämligen, 20 °, 40 °, och 60 °, i vilken azimutvinkeln är fixerad till 270 °. (c) De situationer där metasytan roterar med olika azimutvinklar (θ), nämligen, 200 °, 220 °, och 240 °, i vilken höjdvinkeln är fixerad till 60 °. (d) Situationerna för multibeam -modulering. När metaytan roterar, en stråle stirrar på 0 °, och den andra strålen roterar med avseende på metaytan från 0 ° till 60 °. Upphovsman:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0205-3.
För att demonstrera arbetsprinciperna för smart strålmanipulation, laget studerade en specifik situation inom satellitkommunikation med ett flygande flygplan. De ersatte de traditionella enheterna med en enkel, smart metasyta som innehåller en gyroskopsensor och en MCU. Under designen, de inkluderade sensorn och mikrokontrollern skriven med den snabba inverterade designalgoritmen på baksidan av en programmerbar metayta. De föreslog användning av ett två-bitars digitalt element som innehåller två PIN-dioder för att konstruera den programmerbara metasytan. Forskarna använde motsvarande kretsar för PIN -dioden i tillstånden "på" och "av" inom fältkretsledsimuleringar. För att förstå hur adaptiva kontroller fungerar laget presenterade två (A och B) representativa system.
För simuleringar och experimentella demonstrationer, Ma et al. designat och utvecklat en smart digitalkodande metasyta som innehåller 30 x 30 element. De observerade avvikelser mellan simuleringar och mätningar i schema A på grund av ofullkomligt tryckta kartongtillverkningsprocesser, manuella driftfel i mätinställningen, och icke-idealisk planvågsbelysning. För modul B multibeam -moduler, forskarna observerade överensstämmelse mellan simuleringarna och mätningarna, medan den lilla felfrekvensen mellan dem berodde på icke-idealisk tillverkning och manuella operationer.
VÄNSTER:De utformade digitalkodningsmönstren och de simulerade och experimentella resultaten för schema A, där de simulerade fjärrfältresultaten för det övre halva utrymmet för de sex situationerna listas bredvid kodningsmönstren; jämförelserna mellan de simulerade och experimentella fjärrfältresultaten för de sex situationerna listas nedanför kodningsmönstren. Här, de simulerade och experimentella fjärrfältresultaten är markerade med rött och blått, respektive. (a – c) De tre rotationslägena i φ, med avböjningsbalkarna vid 20 ° höjdvinklar, 40 °, och 60 °, i vilken azimutvinkeln är fixerad till 270 °. (d – f) De tre rotationslägena i θ, med avböjningsbalkarna i azimutvinklar på 200 °, 220 °, och 240 °, i vilken höjdvinkeln är fixerad till 60 °. HÖGER:Multibalkens smarta manipulation. (a, d, g, och j) De beräknade kodningsmönstren för olika rotationstillstånd. (b, e, h, och k) De simulerade fjärrfältresultaten när metasytan roterar från 0 ° till 60 °. (c, f, jag, och l) De uppmätta fjärrfältresultaten när metasytan roterar från 0 ° till 60 ° Kredit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0205-3.
Den smarta metasytan visade kapacitet för utökade avkänningsfunktioner och möjligheten att inkludera flera sensorer. Till exempel, olika sensorer på den smarta metasytan kunde upptäcka och reagera på olika stimuli. Forskargruppen visade förmågan för inbyggda ljussensorer att upptäcka intensiteten hos synligt ljus för att producera en intensitetsprocent. Ma et al. använde sensorerna för att kombinera synliga optiska stimuli med mikrovågsstrålning. För att validera deras design experimentellt, forskargruppen utvecklade fem sensorer inklusive ett gyroskop, ljussensor, fuktighetssensor, höjdsensor och värmesensor på en monterad metayta. De demonstrerade sedan den ljusavkännande reaktionsprocessen genom att simulera och mäta två strålningsmönster markerade med röda och blå linjer; i god överensstämmelse mellan simuleringarna och experimenten.
På det här sättet, Ma et al. studerade automatiska enkla strålar och flerstråls moduler med hjälp av den smarta metasytan. De förberäknade kodningsmönstren och lagrade dem i MCU (mikrokontrollenhet) för att realisera erforderliga programmerbara funktioner oberoende av manipulation i realtid. Strukturellt, metasurface -arkitekturen inkluderade tre huvuddelar; programmerbara enheter, en FPGA (fältprogrammerbar grindmatris) och sensorer. Forskarna beräknade kodningsmönstren som motsvarar rotationsvinklarna för att skapa en databas lagrad i MCU för att uppnå de nödvändiga funktionerna i realtid. Som ett resultat, de utvecklade olika funktioner genom att programmera flera algoritmer i MCU för numeriska simuleringar och experimentella verifieringar.
VÄNSTER:En illustration av den smarta metasurface -plattformen. (a) Den smarta metasytan integrerad med flera sensorer. (b och c) De distinkta reaktionerna enligt ljussensorn:dubbelstrålad strålning för ljuset och RCS-reduktion för det mörka tillståndet. (d) Ett fotografi av den monterade smarta metasytan. (e och f) De simulerade och uppmätta resultaten för dubbelstrålad strålning och RCS-reduktion. HÖGER:Kodningsmönsterberäkningsprocessen och dess designfelanalys. (a) Illustrationen för strålböjningar i den första kvadranten. (b) Felvinkelfördelningen för strålavböjningar i den första kvadranten (θ och φ varierar från 1 ° till 90 °). (c) Beräkningsprocessen för den digitalkodande sekvensen. (d) Det beräknade digitalkodningsmönstret. (e) Det simulerade fjärrfältresultatet i det övre halva utrymmet. Upphovsman:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-019-0205-3.
Den föreslagna självanpassningen, digitalkodande metasurface innehåller en komplett avkänningsmekanism och återkopplingsmekanism förverkligad som en smart metasyta, utan mänsklig kontroll. Ytterligare sensorer lyckades ansluta optiska stimuli och mikrovågsmoduleringar. De experimentella resultaten överensstämde väl med numeriska simuleringar för att validera de adaptiva sensing-feedback-mekanismerna. Forskargruppen etablerade en mängd olika smarta metasytor i studien, utrustad med relevanta sensorer för förväntade applikationer. Det föreslagna konceptet kommer att erbjuda en ny definition för metasytor och bana väg för utveckling av kognitiva och intelligenta metamaterialkonstruktioner.
© 2019 Science X Network
