中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
物聯(lián)網(wǎng)傳感器對于可視化多維和多模態(tài)信息以及實(shí)現(xiàn)未來的信息技術(shù)（IT）應(yīng)用/服務(wù)（例如網(wǎng)絡(luò)物理空間、數(shù)字孿生、自動(dòng)駕駛、智慧城市、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）至關(guān)重要。然而，物聯(lián)網(wǎng)傳感器需要無電池化，才能在實(shí)際應(yīng)用中管理和維護(hù)越來越多的可用傳感設(shè)備。
近日，日本名古屋工業(yè)大學(xué)（Nagoya Institute of Technology）的研究人員提出了一種新穎的傳感器設(shè)計(jì)方法，該方法采用超構(gòu)表面來實(shí)現(xiàn)多功能傳感，而無需外部電源。重要的是，與現(xiàn)有的基于超構(gòu)表面的傳感器不同，所設(shè)計(jì)的超構(gòu)表面即使在固定頻率下也可以通過打破時(shí)域中的經(jīng)典諧波振蕩來感測多個(gè)物理參數(shù)，使所開發(fā)的傳感器能夠在有限的頻率資源下使用。這項(xiàng)研究為感測多種物理特性提供了新的機(jī)會，并且無需依賴于外部電源或需要多個(gè)頻率，顯著簡化和促進(jìn)了下一代無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。相關(guān)研究成果以“Metasurface-enabled multifunctional single-frequency sensors without external power”為題發(fā)表在NPG Asia Materials期刊上。
本研究提出的基于超構(gòu)表面的傳感器概念圖
與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同，本文所設(shè)計(jì)的超構(gòu)表面是無源的，但由于集總瞬態(tài)電路元件，更具體地說，是由于其電路參數(shù)（例如電容和電阻），即使在固定頻率下也能夠打破經(jīng)典的諧波振蕩。特別是，隨著電容和電阻根據(jù)周圍環(huán)境發(fā)生變化，本文所設(shè)計(jì)的超構(gòu)表面能夠控制隨時(shí)間變化的響應(yīng)，這在文獻(xiàn)中尚未得到證明。此外，盡管基于超構(gòu)表面的傳感器根據(jù)入射波的脈沖持續(xù)時(shí)間表現(xiàn)不同，但傳感過程本身需要連續(xù)波（CW）。因此，如果脈沖寬度足夠長，這種超構(gòu)表面?zhèn)鞲衅鞑恍枰~外復(fù)雜的調(diào)制技術(shù)。
數(shù)值模擬反射率曲線
本文所提出基于超構(gòu)表面的傳感方法經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能夠通過在時(shí)域中打破超構(gòu)表面的諧波振蕩且僅使用一個(gè)頻率分量來估算多個(gè)物理量。研究人員的方法是合理的，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，為避免電磁干擾問題，頻率資源的使用受到嚴(yán)格限定。這種方法可應(yīng)用于工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段之一，在這些頻段，頻率資源很容易獲得，使用射頻（RF）波沒有嚴(yán)格的許可問題。此外，這種方法對于管理和設(shè)計(jì)未來的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)非常有用。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
在這項(xiàng)研究中，基于超構(gòu)表面的方法不需要使用電池，卻能夠?qū)Χ喾N物理量進(jìn)行傳感，這解決了未來物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)新問題。特別是，盡管這項(xiàng)研究僅限于感測兩個(gè)物理量作為概念證明，但通過添加能與其它物理量發(fā)生反應(yīng)并表征超構(gòu)表面時(shí)域響應(yīng)的額外電路組件，所提出的方法可擴(kuò)展至對兩種以上物理量進(jìn)行傳感。
根據(jù)反射波形同時(shí)估計(jì)溫度和光強(qiáng)度
為了更實(shí)際地用作物聯(lián)網(wǎng)傳感器，需要進(jìn)一步改進(jìn)這種基于超構(gòu)表面的傳感器。例如，本研究中演示的超構(gòu)表面依賴于商用二極管，這些二極管需要大量輸入功率來整流輸入信號，并改變與物理量相關(guān)的時(shí)域響應(yīng)。因此，通過使用定制的低功率二極管來降低功率水平，有助于以節(jié)能的方式設(shè)計(jì)無電池的基于超構(gòu)表面的多功能傳感器。此外，研究人員提出的方法在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的成功實(shí)施取決于反射（或散射）波形與物理量的關(guān)系。這項(xiàng)研究通過利用隨機(jī)森林回歸解決了這個(gè)問題，該隨機(jī)森林回歸提供了大于0.96的決定系數(shù)。盡管其他傳感器技術(shù)可能提供更高的精度，但通過采用適用于個(gè)別應(yīng)用場景的其它機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，本研究的決定系數(shù)可以進(jìn)一步提高。
總之，研究人員提出了一種基于超構(gòu)表面的傳感器設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)無需多個(gè)頻率或外部電源即可實(shí)現(xiàn)多功能傳感。本文所設(shè)計(jì)的超構(gòu)表面在時(shí)域中呈現(xiàn)出可變的反射率曲線，這些曲線是由集總電路參數(shù)獨(dú)立確定的，這些參數(shù)響應(yīng)于兩個(gè)感興趣的物理量，具體來說是溫度和光強(qiáng)。此外，研究人員還介紹了一種利用隨機(jī)森林回歸從超構(gòu)表面的反射波形估算溫度和光強(qiáng)度的方法。因此，成功地檢測到了溫度和光強(qiáng)，其決定系數(shù)分別為0.9861和0.9610。這項(xiàng)研究為在無需外部電源或多個(gè)頻率的情況下感測多個(gè)物理量提供了新的可能性，這有助于下一代無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
論文信息：https://www.nature.com/articles/s41427-024-00574-4
