Materiaalwetenschappers streven ernaar intelligentie in het weefsel van materialen of metamaterialen te verwerken voor programmeerbare functies. Technische inspanningen kunnen variëren van passieve tot actieve vormen om programmeerbare meta-oppervlakken te ontwikkelen met behulp van dynamische en willekeurige elektromagnetische (EM) golfvelden. Dergelijke meta-oppervlakken, echter, vereisen handmatige bediening om tussen functies te schakelen. In een nieuwe studie die nu is gepubliceerd op Licht:wetenschap en toepassingen , Qian Ma en een interdisciplinair onderzoeksteam in het State Key Laboratory, Cyberspace wetenschap en technologie, en het Department of Electronics in China ontwierp een slim metasurface voor zelfaanpassende programmeerbaarheid.

Met behulp van een onbemand feedbackdetectiesysteem, de slimme metasurface gedetailleerde omgevingen met extra sensoren, naast adaptieve aanpassing van de operationele functionaliteit van EM. Als proof-of-concept, het team ontwikkelde experimenteel een bewegingsgevoelig slim meta-oppervlak geïntegreerd in een drie-assige gyroscoop (om de rotatiebeweging te meten of te behouden) met de mogelijkheid om de EM-stralingsbundels zelf aan te passen door het meta-oppervlak te roteren. Ma et al. ontwikkelde een online feedback-algoritme binnen de besturingssoftware om de slimme meta-oppervlakken te sturen en adaptieve dynamische reacties uit te voeren. Ze breidden de voorgestelde meta-oppervlakken uit tot fysieke sensoren om vochtigheidsdetectie te programmeren, temperatuur of lichte verlichting. De materiaaltechnologiestrategie zal een nieuwe weg openen om programmeerbare apparaten te ontwikkelen zonder menselijke tussenkomst om beweging in een omgevingsomgeving te detecteren en te detecteren.

Metamaterialen hebben opmerkelijke elektromagnetische eigenschappen die worden geïntroduceerd door hun subgolflengtestructuren en functionele rangschikking. Metasurfaces kunnen uitdagingen overwinnen die typisch zijn voor bulkmetamaterialen om EM-golven sterk te manipuleren voor golffrontvorming, stralingscontrole en polarisatieconversie. Door de veelzijdigheid van meta-oppervlakken, onderzoeksteams stelden een verscheidenheid aan toepassingen voor, waaronder beeldvorming, onzichtbaarheid en illusie, evenals afwijkende reflectie en breking; voornamelijk gericht op continue modulaties op meta-oppervlakken. Om nieuwe perspectieven van meta-oppervlakken te verkennen, onderzoeksteams stelden voor om metasurface-fysica en digitale informatiewetenschap te koppelen. Om de nieuwe mogelijkheden van meta-oppervlakken te verkennen, onderzoekers stelden voor meta-oppervlakken voor digitaal coderen om natuurkunde, informatiewetenschap en digitale signaalverwerking. Echter, dergelijke systemen blijven onder menselijke (handmatige) controle.

In het huidige werk, Ma et al. een slim digitaal coderend meta-oppervlak voorgesteld en ontwikkeld met zelfaanpassend vermogen voor herprogrammeerbare functionaliteit; uitgevoerd door het materiaaloppervlak zelf. Het meta-oppervlak gebruikte onafhankelijk specifieke feedbackmodulaties voor ruimtelijke posities en andere wijzigingen. Het team omvatte een gyroscoopsensor, een intelligent besturingssysteem en een snel feedbackalgoritme in de experimentele opstelling om zelfaanpassende herprogrammeerbare functies te realiseren - zonder menselijke hulp. Het open metasurface-platform toegepast op diverse sensoren en hun opname om elegante detectie-feedbackmechanismen te bereiken. Ma et al. stel je voor dat het voorbereidende werk de weg vrijmaakt voor de ontwikkeling van intelligente en cognitieve meta-oppervlakken in de toekomst.

In de proefopstelling is ze gebruikten een sensor op het meta-oppervlak om specifieke kenmerken rond het construct in de omgeving te detecteren en af ​​te leveren aan een microcontroller-eenheid (MCU). De MCU bepaalde onafhankelijk de reacties op deze variaties en instrueerde vervolgens de veldprogrammeerbare poortarray (FPGA) via coderingspatronen, om de configuratie van het meta-oppervlak in realtime te wijzigen. De slimme metasurfaces bereikten automatisch aanpasbare herprogrammeerbare functionaliteit op basis van het aan de oppervlakte geïnstalleerde detectie-feedbacksysteem en berekeningssoftware. Dankzij de uitstekende oppervlaktecompatibiliteit van de MCU konden Ma et al. om een ​​verscheidenheid aan sensoren te integreren in het slimme meta-oppervlak om met meer vrijheidsgraden te voelen.

Om de werkingsprincipes van slimme bundelmanipulatie te demonstreren, het team bestudeerde een specifieke situatie in satellietcommunicatie met een vliegend vliegtuig. Ze vervingen de traditionele apparaten door een eenvoudig, slimme metasurface met een gyroscoopsensor en een MCU. Tijdens het ontwerp, ze omvatten de sensor en microcontroller geschreven met het snelle inverse ontwerpalgoritme in de achterkant van een programmeerbaar meta-oppervlak. Ze stelden voor om een ​​twee-bits digitaal element met twee PIN-diodes te gebruiken om het programmeerbare meta-oppervlak te construeren. De onderzoekers gebruikten de equivalente circuits van de PIN-diode in de "aan" en "uit" toestanden binnen simulaties van veldcircuits. Om de prestaties van adaptieve controles te begrijpen, het team presenteerde twee (A en B) representatieve schema's.

Voor simulaties en experimentele demonstraties, Ma et al. ontwierp en ontwikkelde een slim digitaal coderend meta-oppervlak met 30 x 30 elementen. Ze observeerden afwijkingen tussen simulaties en metingen in schema A als gevolg van onvolmaakte printplaatproductieprocessen, handmatige bewerkingen fouten in de meetopstelling, en niet-ideale vlakke-golfverlichting. Voor schema B multibeam modulaties, de wetenschappers observeerden consistentie tussen de simulaties en metingen, terwijl het kleine foutenpercentage tussen hen het gevolg was van niet-ideale fabricage en handmatige bewerkingen.

De slimme metasurface toonde capaciteit voor uitgebreide detectiefuncties en de mogelijkheid om meerdere sensoren op te nemen. Bijvoorbeeld, verschillende sensoren op het slimme meta-oppervlak kunnen een verscheidenheid aan stimuli detecteren en erop reageren. Het onderzoeksteam toonde de capaciteit van ingebouwde lichtsensoren om de intensiteit van zichtbaar licht te detecteren om een ​​intensiteitspercentage te produceren. Ma et al. gebruikte de sensoren om zichtbaar-optische stimuli te combineren met microgolfstraling. Om hun ontwerp experimenteel te valideren, het onderzoeksteam ontwikkelde vijf sensoren, waaronder een gyroscoop, licht sensor, vochtigheidssensor, hoogtesensor en warmtesensor op een geassembleerd meta-oppervlak. Vervolgens demonstreerden ze het lichtgevoelige reactieproces door twee stralingspatronen te simuleren en te meten, gemarkeerd door rode en blauwe lijnen; in goede overeenstemming tussen de simulaties en experimenten.

Op deze manier, Ma et al. bestudeerde automatische enkele bundel en meervoudige bundel modulaties met behulp van de slimme metasurface. Ze hebben de coderingspatronen vooraf berekend en opgeslagen in de MCU (microcontroller-eenheid) om de vereiste programmeerbare functies te realiseren, onafhankelijk van realtime manipulatie. structureel, de metasurface-architectuur omvatte drie hoofdonderdelen; programmeerbare eenheden, een FPGA (field programmeerbare gate array) en sensoren. De wetenschappers berekenden de coderingspatronen die overeenkomen met de rotatiehoeken om een ​​database op te zetten die in de MCU is opgeslagen om de vereiste functies in realtime te bereiken. Als resultaat, ze ontwikkelden diverse functies door meerdere algoritmen in de MCU te programmeren voor numerieke simulaties en experimentele verificaties.

De voorgestelde zelf-adaptieve, digitaal coderend metasurface bevat een compleet detectie- en feedbackmechanisme dat is gerealiseerd als een slim metasurface, zonder menselijke controle. Extra sensoren slaagden erin optische stimuli en microgolfmodulaties met elkaar te verbinden. De experimentele resultaten kwamen goed overeen met numerieke simulaties om de adaptieve detectie-feedbackmechanismen te valideren. Het onderzoeksteam heeft een verscheidenheid aan slimme meta-oppervlakken in het onderzoek vastgesteld, uitgerust met relevante sensoren voor verwachte toepassingen. Het voorgestelde concept zal een nieuwe definitie voor meta-oppervlakken bieden en de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van cognitieve en intelligente metamaterialenconstructies.

© 2019 Wetenschap X Netwerk