前沿进展 | 类脑超材料：光速目标识别和幻觉隐身

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，浙江大学陈红胜教授、钱超研究员课题组结合电磁超材料和深度学习，提出了类脑超材料（neuro-metamaterials）的概念，在物理层实现电磁空间感知计算一体化，用于光速动态目标识别和幻觉隐身。相关研究结果以“Dynamic recognition and mirage using neuro-metamaterials”为题于2022年5月16日发表在Nature Communications上。2022 | 前沿进展

02 研究背景

目标识别是计算机视觉和图像处理领域的常用技术，被广泛应用于检测、分类、注释和分割照片视频中某类语义对象。目前，它已经渗透到我们生活的方方面面，例如视频监控、目标跟踪、安全支付和自动驾驶。传统目标识别方法中信息感知和计算部分相互孤立：先由摄像头捕获图像序列，再用数字计算机进行图像处理，配合深度学习或其他模式识别算法。然而，随着大数据和物联网的快速发展，目标识别对快速信息收集、并行数据处理和低能耗计算的需求越来越高。

 图1 “类脑超材料墙”在光安检系统中的应用示意图

03 研究创新点

针对这一挑战，陈红胜教授、钱超研究员课题组提出了类脑超材料直接实现动态三维物体的识别。类脑超材料提供了一种“绿色”的被动/无源式计算模态，通过设计特殊的空间拓扑结构（内秉智能），直接在物理层完成计算、推理、优化、分类等任务。它可以无差别嵌入设备本身，开启“器件本身可计算”和“万物可计算”的新途径（图1）。除此之外，类脑超材料还可以借助外部驱动智能，根据现场或用户自定义的需求，实时发送给超材料器件执行指令 [Nat. Photon. 14, 383 (2020)]。借助深度学习和拓扑优化算法，将用户需求映射到超材料的空间拓扑结构，对最原始的电磁波幅度、极化和相位等信息进行分析和处理。电磁波透过类脑超材料即可完成计算，无需额外的天线探测阵列和复杂的射频电路，因此具备光速计算和低损耗等优势。实验中，两只兔子在类脑超材料前自由玩耍，类脑超材料对兔子周围的散射场进行调控，对行走、站立和蹲坐等姿势的高准确率识别（图2）。 图2 类脑超材料的实时兔子姿势识别进一步，该团队提出了类脑超材料的动态光学幻觉。相较于传统的基于变换光学和超表面的幻觉方法，该方法可以针对动态输入和具备电磁参数易实现等优势。实验中，课题组将兔子的连续站立动作转换为长颈鹿的喝水动作（图3），输出的幻觉和实际目标的结构相似度达到93.51%。 图3 类脑超材料的动态光学幻觉

04 总结与展望

该研究工作利用类脑超材料直接对底层电磁波的物理特性进行处理，实现侵入式感知计算一体化的新模式，在无线通信、幻觉隐身以及光学信息处理和显示等方面有重要应用。展望未来，我们还可以将类脑超材料与多重复用技术和非线性材料融合，提供更高的设计自由度和处理复杂任务的能力，有望开启“光学万物互联”的新时代。

钱超研究员为论文第一作者，浙江大学为第一完成单位，钱超研究员、李尔平教授和陈红胜教授为论文共同通讯作者，合作者还包括王浙栋博士等国内外专家。该工作获得国家自然科学基金委等项目支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30377-6以下视频为该论文的支撑材料，是类脑超材料对兔子运动姿势实时识别的结果，敬请观看。推荐阅读：
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编辑 | 方紫璇

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