近日，ZJUI钱超研究员联合国内外研究者提出自稳态类脑超构表面，利用智能逆向设计为驱动，率先实现在动态环境中无线信道的自由实时管理。相关成果以“Homeostatic neuro-metasurfaces for dynamic wireless channel management”为题发表在Science子刊《Science Advances》，其影响因子为14.957。
智慧城市是指利用各种信息技术和创新概念赋能城市基础设施，优化城市的服务、运营和管理，提升资源的综合运用效率。以物联网和人工智能等新一代信息技术为支撑，数据层和网络层的智能化发展迅速。然而，物理底层复杂无线信道的智能化却鲜有研究。如果能够按需定制无线信道，构建全新的电磁智能城市框架，将为智慧城市建设赋能加力（图1）。
实现该愿景的关键是如何在动态复杂环境中管理无线信道和定制电磁环境。传统无线信道工程需要部署大量高复杂性和高能耗基站，大大增加了硬件支出和维护成本，并且在实时应用中受到冗长迭代优化策略的桎梏。电磁超构表面是一类由亚波长尺寸单元构成的人工复合材料，通过巧妙设计单元结构和空间排布自由调控电磁波的传播特性。鉴于其绿色、经济高效、低损耗等优势，超构表面在隐身、感知成像、光计算等方面展示出巨大潜力，也为下一代无线通信提供了新的方案。然而，目前超构表面大多处于静态工作模式，并缺乏智能驱动，难以满足在动态环境中无线信道的自由实时定制。
▲图1.自稳态类脑超构表面在电磁智慧城市的应用示意图
课题组提出了自稳态类脑超构表面的概念，在传播过程中全局二次管理无线信道，自动满足用户需求。类脑超构表面是由大量主动式超构单元组成，每个有源元件对入射波的振幅、相位、偏振进行独立调制。微型步进电机对每个类脑超构单元施加机械驱动，该机械调控不需要连续的能量供应，具有非易失性和能耗低等优势，提高了超构表面在不稳定环境中的抗干扰能力。基于适当数量的训练数据，配合数据增强技术，建立了基于深度学习的全局逆向设计模型，搭建了无线信道与类脑超构表面排布之间的“高速通道”。
▲图2.感知(电磁探测器)-决策(全局逆向设计)-执行(类脑超构表面)实验系统
研究团队实验搭建了感知（电磁探测器）-决策（全局逆向设计）-执行（类脑超构表面）系统（图2）。先在测试集中随机选择数据进行实验测试，再将实验环境扩展至真实场景，在无需人为干预的情况下动态管理无线信道，验证了全局逆向设计的通用性和类脑超构表面的鲁棒性。
该工作结合了超构表面与深度学习，赋予类脑超构表面独立分析和解决问题的能力，为电磁智能城市基建提供了新思路。这种现场解决问题的能力有望扩展至具有高实时性要求的领域，例如动态电磁隐形和随机介质中的成像等。
范智翔博士为论文第一作者，钱超研究员为通讯作者。该项研究是与陈红胜教授、李尔平教授、郑斌副教授等合作完成该项研究。该工作获得国家自然科学基金委等项目支持。
