ワイヤレス「心のコミュニケーション」！崔鉄軍院士は、柔軟で非侵襲的な新しい脳コンピューターインターフェースメタサーフェスの開発を主導している。

近年、コーディング メタサーフェスにより、従来の受動デバイスでは静的であったり非常に制限されていた電磁機能のリアルタイムかつプログラム可能な制御が可能になりました。ただし、このタイプのメタサーフェスでは、依然として手動操作が必要です。

その後、科学者たちは人間の意図を直接検出して区別するために、脳コンピューターインターフェース（BCI）の概念を提唱し、BCIを介して脳とデバイス間の通信を確立しようと試み、プログラム可能なメタサーフェスの制御に新たな視点を提供しました。 「特別な帽子」から脳信号を収集することにより、脳コンピューターインターフェースは、オペレーターが複雑な筋肉活動を実行することなく、オペレーターの意図を解読し、制御対象にコマンドを送信することができます。

現在、東南大学ミリ波国家重点実験室の崔鉄軍院士が率いるチームは、華南理工大学、シンガポール国立大学などの研究機関と協力し、さらに一歩進んで電磁脳コンピューターメタサーフェス（EBCM）を開発した。

このメタサーフェスは、柔軟かつ非侵襲的に情報合成と無線伝送を制御し、操作者の脳情報を脳波（EEG）信号に変換し、さらにさまざまな電磁（EM）指示に変換することで、2人の操作者間の無線「心のコミュニケーション」を実現できると報告されています。

下図のように、関連するコマンドを表示するディスプレイがオペレーターの目の前に配置されます。 EBCM は、簡単な指示を受け取るだけで、オペレーターの意図を理解し、可視ビームのスキャン、波形変調、パターンのエンコードなどの電磁機能を実現できます。

「非侵襲性脳コンピューターメタサーフェスプラットフォームによる人間の心の直接ワイヤレス通信」と題された関連研究論文が、科学誌「eLight」に掲載されました。

研究者らは、この研究は電磁波空間と脳コンピューターインターフェースを組み合わせ、メタサーフェス、人間の脳知能、人工知能の深い統合の探求に新たな方向を切り開き、新世代の生物知能メタサーフェスシステムの構築に役立つだろうと述べた。

心の中で「HELLO」と発音する

本研究では、研究チームはEBCMに基づく無線テキスト通信を設計し、実験的に実証しました。

研究チームは、脳コンピューターインターフェースオペレーターにテキストグラフィカルユーザーインターフェース（GUI）を提供し、視覚ボタンを「0」と「1」からなる特定のコーディングシーケンスに直接エンコードできるようにしました。

実験では、高ゲインのシングルビームモードと低ゲインのランダム散乱モードを使用して、メタサーフェス反射の振幅を区別しました。これは、それぞれ無線情報伝送のエンコードされた「1」（高振幅）と「0」（低振幅）に対応しています。

プロトタイプのデモンストレーションとして、研究者らは EBCM 通信システムでオペレーター間でテキストをワイヤレスで送信するデモを行いました。

テキスト送信者であるオペレータ A は、EBCM GUI 上の文字ボタンを視覚的に確認しながら文字を送信します。ターゲット文字が EEG 信号からデコードされると、ASCII ベースのコーディング シーケンスが FPGA に実装され、時間とともに変化するパターンが切り替えられ、メタサーフェスを操作して情報を空間に送信します。この情報は、オペレーター B の EBCM によって受信、復調、表示されます。

下の図に示すように、研究チームは「HELLO」という5つの文字の無線伝送プロセスを実証し、オペレーターBの画面に「HELLO」という文字が正常に表示されました。

視覚ビーム走査実験では、操作者は特定の方向を視覚的に注視することで、目的のビーム走査方向を直接達成しました。 EBCM は、オペレータの EEG を検出した後、関連するビームスキャン方向の​​実行コーディング パターンを表示できます。

さらに、研究チームはEBCMのパターン符号化プロセスも実証しました。オペレーターは特定のボタンを押して必要なコードを入力します。 EBCM によって検出された入力コードは、画面上に黄色の四角形として表示されます。最後のコード「C4」は、エンコード プロセスを終了し、FPGA に最終的なエンコード パターンを計算するように指示する停止命令です。その後、EBCM は計算されたコーディング パターンを実行し、メタ サーフェス上に表示します。

上記の実験は、操作者はもはや筋肉の動作を必要とせず、関連する継続的な刺激を得るために特定の視覚ボタンを見つめるだけでよく、EBCM はこれらの刺激を認識し、通信用の対応する EM 信号に変換できることを示しています。

スマートメタサーフェスとは何ですか?

メタサーフェスは、厚さが波長よりも小さい人工の層状物質です。面内構造形式に応じて、メタサーフェスは、横方向のサブ波長微細構造を持つタイプと均一なフィルム層を持つタイプの 2 つのタイプに分けられます。メタサーフェスは、電磁波の位相、偏光、伝播モードなどの特性を柔軟かつ効果的に制御できます。

スマートメタサーフェスは、モバイル通信分野における情報メタマテリアルの重要な応用であり、基本原理は、デジタルプログラミングを通じてメタマテリアルの電磁気特性を制御し、通常の壁の空間電磁波に対する拡散反射を変化させ、空間電磁波のインテリジェントな制御とビームフォーミングを実現することです。また、低消費電力と低コストという特徴を備えており、将来のモバイル通信ネットワークの重要なインフラストラクチャになることが期待されています。

2014年には、崔鉄軍院士率いるチームが初めてインテリジェントメタサーフェスのハードウェアシステムを実現し、情報メタマテリアルの応用を推進する先例を築きました。

今年2月、崔鉄軍院士らのチームは、多層透過型デジタルコーディングメタサーフェスを用いて、リアルタイム調整可能な全回折型ニューラルネットワーク（プログラマブル人工知能マシン、PAIM）を構築し、ネットワークパラメータのリアルタイムプログラミングと光速計算特性をうまく実現し、画像認識、強化学習、通信マルチチャネルエンコードとデコードなど、さまざまな応用事例を実証しました。これは、マイクロ波空間全回折型調整可能なニューラルネットワークを実現し、実証した世界初の事例です。

もちろん、メタサーフェスの応用シナリオはこれに限定されるものではありません。

メタサーフェスの豊富でユニークな物理的特性と、電磁波を柔軟に制御する能力により、メタサーフェスは、ステルス技術、アンテナ技術、マイクロ波およびテラヘルツデバイス、光電子デバイスなど、多くの分野で重要な応用の見通しを持っています。