由人工單元結構周期排布構成的電磁超表面是對電磁波進行調制的重要手段，在下一代無線通信、電磁偽裝等領域具有巨大應用潛力。發(fā)展柔性電磁超表面可為實現(xiàn)電磁超表面與多類型平臺的共形融合集成提供基礎。然而，柔性電磁超表面的自身形變也會導致器件內(nèi)單元排布和器件編碼策略的變化，對器件發(fā)揮預期的電磁波操控能力造成阻礙。這一問題長期困擾柔性電磁超表面的發(fā)展，是柔性電磁超表面應用的瓶頸性難題。

材料與能源學院林媛教授團隊基于可重構智能超表面，發(fā)展了可自主適應形變影響的柔性電磁超表面（Flexible Intelligent Surface Platform，F(xiàn)ISP），實現(xiàn)了動態(tài)形變下的穩(wěn)定電磁性能，并展示了基于FISP的電磁偽裝和無線通信等應用，相關工作已于近日以“Flexible intelligent microwave metasurface with shape-guided adaptive programming”為題發(fā)表在 Nature Communications。材料與能源學院博士研究生李凡為該論文第一作者，材料與能源學院林媛教授、潘泰松研究員以及東南大學湯文軒教授為共同通訊作者。電子科技大學材料與能源學院為該論文第一完成單位。研究得到了國家自然科學基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項目、創(chuàng)新研究群體項目、面上項目等資助。

圖1 FISP工作原理示意圖

如圖1所示，F(xiàn)ISP主要由柔性可重構超表面、集成于超表面的形變感知模塊、人工神經(jīng)網(wǎng)絡驅動的電壓補償模塊組成。形變感知模塊實現(xiàn)了對柔性超表面形態(tài)的實時采集，并可將形態(tài)信息及時輸入電壓補償模塊用于超表面重構編碼的計算。電壓補償模塊中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡算法可以利用形態(tài)信息推理得到陣面的形變補償重構編碼矩陣，并驅動超表面中的電可調器件進行超表面電磁特性重構，從而使超表面能夠在動態(tài)形變下展現(xiàn)出穩(wěn)定的電磁偽裝和無線通信等功能。

圖2 柔性可重構電磁超表面的設計與相位調制性能

如圖2所示，基于團隊在大幅面柔性電路制備工藝上的積累，該工作實現(xiàn)了集成電可調器件的頂層諧振貼片、PDMS柔性介質層以及可延展蛇形地平面結構的堆疊集成，成功構筑了柔性可重構電磁超表面。可延展蛇形地平面結構的應用使超表面彎曲剛度下降了2個數(shù)量級以上，顯著提高了超表面的機械柔韌性。在具有良好柔性的同時，該超表面的單元相位可調范圍大于270°，為實現(xiàn)超表面電磁特性的重構奠定了基礎。

圖3 FISP的形變感知原理和人工神經(jīng)網(wǎng)絡重構算法

如圖3所示，超表面的形變感知主要通過在超表面中集成柔性應變傳感器陣列實現(xiàn)。基于傳感器陣列測得的超表面在形變后的應變分布情況，F(xiàn)ISP中的形變感知模塊可以反演出超表面的實時形態(tài)，反演精度誤差小于2.36mm。形態(tài)信息進一步饋入電壓補償模塊的人工神經(jīng)網(wǎng)絡算法，通過算法的推理運算快速得到可實現(xiàn)超表面性能補償調整的電可調器件偏壓編碼矩陣。電壓補償模塊基于該編碼矩陣，即可驅動超表面進行重構，實現(xiàn)對形變影響的自適應補償。單個補償周期的響應時間低于17ms，可滿足動態(tài)形變的補償速度要求。

圖4 基于FISP的電磁偽裝和無線通信應用

如圖4所示，F(xiàn)ISP作為具有重構能力的超表面平臺，可以通過對編碼矩陣的預定義實現(xiàn)多種應用功能。FISP在多種彎曲條件下，均實現(xiàn)了對小車模型的電磁偽裝，RCS縮減率保持在77%以上。FISP也可作為反射面天線共形貼附于平臺，實現(xiàn)功能與承載結構的一體化。得益于FISP對形變影響的自適應能力，基于FISP的反射面天線在機翼震顫場景下實現(xiàn)了穩(wěn)定的無線通信功能。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58249-9