Smarte metamaterialer, der fornemmer og omprogrammerer sig selv

Materialeforskere har til formål at konstruere intelligens i stoffets materiale eller metamaterialer til programmerbare funktioner. Ingeniørindsatsen kan variere fra passive til aktive former til at udvikle programmerbare metaoverflader ved hjælp af dynamiske og vilkårlige elektromagnetiske (EM) bølgefelter. Sådanne metaoverflader, imidlertid, kræver manuel styring for at skifte mellem funktioner. I en ny undersøgelse nu offentliggjort den Lys:Videnskab og applikationer , Qian Ma og et tværfagligt forskerhold i State Key Laboratory, Cyberspace videnskab og teknologi, og Department of Electronics i Kina konstruerede en smart metasurface til selvtilpasningsprogrammerbarhed.

Ved hjælp af et ubemandet feedback sensing system, de smarte metasurface detaljerede omgivelsesmiljøer med ekstra sensorer, sammen med adaptiv justering af dens EM -funktionalitet. Som bevis på konceptet, teamet udviklede eksperimentelt en bevægelsesfølsom smart metasurface, der er integreret i et tre-akset gyroskop (for at måle eller opretholde rotationsbevægelse) med evne til selv at justere EM-strålingsstrålerne ved at rotere metasurface. Ma et al. udviklet en online feedback -algoritme inden for kontrolsoftwaren til at styre de smarte metasurfaces og udføre adaptive dynamiske reaktioner. De udvidede de foreslåede metaoverflader til fysiske sensorer til at programmere fugtighedsdetektering, temperatur eller lysbelysning. Materialeteknisk strategi åbner en ny vej til at udvikle programmerbare enheder uden menneskelig deltagelse til at fornemme og registrere bevægelse i et omgivende miljø.

Metamaterialer har bemærkelsesværdige elektromagnetiske egenskaber introduceret af deres subbølgelængdestrukturer og funktionelle arrangement. Metasurfaces kan overvinde udfordringer, der typisk opstår i metamaterialer i løs vægt for stærkt at manipulere EM -bølger til bølgefrontformning, strålingskontrol og polariseringskonvertering. På grund af metasurfaces alsidighed, forskerhold foreslog en række forskellige applikationer, herunder billeddannelse, usynlighed og illusion, samt anomalisk refleksion og brydning; hovedsageligt fokuseret på kontinuerlige moduleringer på metasurfaces. For at udforske nye perspektiver på metasurfaces, forskerhold foreslog at forbinde metasurface fysik og digital informationsvidenskab. For at udforske de nye muligheder for metasurfaces, forskere foreslog digital-kodende metasurfaces at omfatte fysik, informationsvidenskab og digital signalbehandling. Imidlertid, sådanne systemer forbliver under menneskelig (manuel) kontrol.

I det nuværende arbejde, Ma et al. foreslået og udviklet en smart digital-kodende metasurface med selvtilpasningsevne til omprogrammerbar funktionalitet; implementeret af selve materialoverfladen. Metasurface brugte uafhængigt af hinanden specifikke feedbackmodulationer til rumlige positioner og andre ændringer. Teamet inkluderede en gyroskopsensor, et intelligent kontrolsystem og hurtig feedback-algoritme ind i den eksperimentelle opsætning for at realisere selvadaptive omprogrammerbare funktioner-uden menneskelig hjælp. Den åbne metasurface-platform anvendes på forskellige sensorer og deres inddragelse for at opnå elegante sensing-feedback-mekanismer. Ma et al. forestil dig, at det indledende arbejde vil bane vejen mod udvikling af intelligente og kognitive metasurfaces i fremtiden.

I den eksperimentelle opsætning, de brugte en sensor på metasurface til at detektere specifikke funktioner omkring konstruktionen i miljøet og levere dem til en mikrokontrolenhed (MCU). MCU uafhængigt bestemte reaktioner på disse variationer og instruerede derefter det feltprogrammerbare gate array (FPGA) via kodningsmønstre, at ændre metasurface -konfigurationen i realtid. De smarte metasurfaces opnåede selvadaptiv omprogrammerbar funktionalitet automatisk baseret på det overfladeinstallerede sensing-feedback-system og beregningssoftware. MCU's fremragende overfladekompatibilitet tillod Ma et al. at integrere en række forskellige sensorer til den smarte metaoverflade for at føle med flere frihedsgrader.

For at demonstrere arbejdsprincipperne for smart beam manipulation, holdet undersøgte en specifik situation i satellitkommunikation med et flyvende fly. De erstattede de traditionelle enheder med en enkel, smart metasurface, der indeholder en gyroskopsensor og en MCU. Under designet, de inkluderede sensoren og mikrokontrolleren skrevet med den hurtige inverse designalgoritme bag på en programmerbar metasurface. De foreslog brug af et to-bit digitalt element indeholdende to PIN-dioder til at konstruere den programmerbare metaoverflade. Forskerne brugte de tilsvarende kredsløb til PIN -dioden i "on" og "off" -tilstande inden for feltkredsløbssimuleringer. For at forstå udførelsen af ​​adaptive kontroller, holdet præsenterede to (A og B) repræsentative ordninger.

Til simuleringer og eksperimentelle demonstrationer, Ma et al. designet og udviklet en smart digital-kodende metasurface, der indeholder 30 x 30 elementer. De observerede afvigelser mellem simuleringer og målinger i skema A på grund af ufuldstændigt trykte kartonfremstillingsprocesser, manuelle betjeningsfejl i måleopsætningen, og ikke-ideel planbølge belysning. For multibeam -moduler i skema B, forskerne observerede konsistens mellem simuleringerne og målingerne, mens den lille fejlprocent mellem dem skyldes ikke-ideel fremstilling og manuelle betjeninger.

Den smarte metasurface viste kapacitet til udvidede sansefunktioner og evnen til at inkludere flere sensorer. For eksempel, forskellige sensorer på den smarte metaoverflade kunne registrere og reagere på en række stimuli. Forskergruppen viste evnen til integrerede lyssensorer til at registrere intensiteten af ​​synligt lys for at producere en intensitetsprocent. Ma et al. brugte sensorerne til at kombinere synlig-optiske stimuli med mikrobølgestråling. For at validere deres design eksperimentelt, forskergruppen udviklede fem sensorer, herunder et gyroskop, lyssensor, fugtighedsføler, højdesensor og varmesensor på en samlet metaoverflade. De demonstrerede derefter lysfølelsesreaktionsprocessen ved at simulere og måle to strålingsmønstre markeret med røde og blå linjer; i god overensstemmelse mellem simuleringerne og eksperimenterne.

På denne måde, Ma et al. studerede automatiske enkeltstråle- og flerstrålemodulationer ved hjælp af den smarte metasurface. De forberegnede kodningsmønstrene og lagrede dem i MCU'en (mikrokontrolenhed) for at realisere nødvendige programmerbare funktioner uafhængigt af manipulation i realtid. Strukturelt, metasurface -arkitekturen omfattede tre hoveddele; programmerbare enheder, en FPGA (feltprogrammerbar gate array) og sensorer. Forskerne beregnede kodningsmønstrene svarende til rotationsvinklerne for at oprette en database, der er gemt i MCU'en for at opnå de nødvendige funktioner i realtid. Som resultat, de udviklede forskellige funktioner ved at programmere flere algoritmer i MCU'en til numeriske simuleringer og eksperimentelle verifikationer.

Den foreslåede selvtilpasning, digital-kodende metasurface indeholder en komplet sanse- og feedbackmekanisme realiseret som en smart metasurface, uden menneskelig kontrol. Yderligere sensorer lykkedes at forbinde optiske stimuli og mikrobølge modulationer. De eksperimentelle resultater stemte godt overens med numeriske simuleringer for at validere de adaptive sensing-feedback mekanismer. Forskergruppen etablerede en række smarte metasurfaces i undersøgelsen, udstyret med relevante sensorer til forventede applikationer. Det foreslåede koncept vil tilbyde en ny definition for metasurfaces og bane vejen mod udvikling af kognitive og intelligente metamaterialkonstruktioner.

© 2019 Science X Network