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                科学封面

                科学封面(第42期)丨浙大陈红胜团队:基于深度学习的新一代智能隐身器件

                编辑:叶鑫 来源:学术委员会 时间:2020年03月24日 访问次数:2355  源地址

                隐身是人类梦想中的超能力ω之一,也是科学界的□ 重要挑战。北京时间324日,光学领域顶尖期刊《自然·光子学》(Nature Photonics,最新影响因子31.583)线报道了浙江大学信息与电子工程学院陈红胜教授课题组的一□ 项最新研究。课题组在国●际上率先实现基于深度学习的新一代智能隐身器件,在不依赖任何人为操控的情况下,快速地动态适应变化的背景环境,从而与背景电磁环境特征融为一体,实现自适应隐身。



                浙江大学信息与电子工程学院2017级博士研究生(硕博连读)钱超是¤论文的第一作者,陈红胜教授是论文的通讯作者,浙江大学为第一完成单位。合作者包括浙江大学郑斌副教授、沈练博士、李尔平教授以及麻省理工学院『沈亦晨博士和靖礼博士。审稿◥专家认为,“这是一项激动人心的、及时而杰出的工作,它连接了变换光学、电磁超材料和人↙工智能等领域,为智能光子材料和器件这个新兴领域树立了很好的标杆,也将大大促进其他智能电磁器件的发展。”

                 

                自然界的“隐身高手”



                自然界存有两种“隐身衣”,是生物的生存≡利器。一种是“螳螂伺蝉自障叶,可以隐形”,螳螂匿藏于树叶没有迟钝之中,其颜色纹理和背景相似,有利于埋←伏或进攻,这种拟态隐身在变色龙和章鱼等头足类生物中最为常见;另一种是透明隐身,即光透过物体时不产生任何散射,例如海樽和水母。

                 

                近些年,随着变换光学和№新型人工电磁材料的发展,隐身相关的科学研究飞速发展。变换光学隐身方法区别于上述两种策略,它是利用坐标变换的方法来控制电磁波,使╳其能够绕过被隐身的区域,按照原来的方向传播,从而达到物体完全隐形的目的。变换光学隐身理论自提√出后便激发了科研人员的研究热情。随后的十几♀年,大量理论和实验工作涌现,从微波到光频,从二维到三维,从自由空间到地毯★式隐身,从电磁波〓到声波水波,极大地促进了隐身领域的发展。

                 

                然而,与自然界不过他定然知道对方是一个强者的“隐身衣”相比,人类的“隐身衣”研究仍然■存在电磁参数苛刻、设计制∮备困难、频带窄、色散严重等重要挑战,导致多数只能工作在单一的环境背景和既定的入射波条件。如果稍加改㊣变外界环境或者入射波,隐身效果便会大幅度降低。

                 

                “理想的隐身衣应该和章鱼和变色龙一样,能够快速自动地适应于变化的外界刺激和背景环△境。”陈红胜教授说。章鱼表皮█中含有许多色素细胞←,包括黑,红,黄,白等类型。针对不同的背景环境,周围的肌纤维瞬间扩张和收缩色素细胞,从而改变皮肤的颜色纹理,使其与背景⊙融合。而且,对于温度、光线和机〓械等外界刺激,章鱼也能随之响应,实现趋利@避害。

                 

                     图:章鱼的自适应隐身及其表皮结构

                 

                让隐身更“智能”


                如何才能像章鱼和变〒色龙一样自适应于变化的外界刺激和背景环境?2017年还是硕士研究生的钱超就开始着手解决这一难题。如果这@ 一问题得到解决,不仅可以将隐身应用在动态的、开放的、复杂的场景之中,还可以促进其他许多智能电磁材料和器◣件的发展,在国防、航天、海洋等技术领域发挥重要的▓作用。

                 

                “章鱼〓有色素细胞,我们有可重构的新型人工电磁材料单元;章鱼有中枢神经,我们有深度学习方↘法;章鱼有光敏细胞,我们可以搭建电磁波和环境探测器。”钱超说道。

                 

                话虽简单,但从无到有搭建一整套智能隐身看似走系统又谈〇何容易。当前,深度学习已经开始渗入电磁材料领域,但是,主要偏重于理论上设计优化人▲工电磁材料,例如纳米光子和手性材料等。如何在实验上实现新型的智能电磁材料、构建╱新一代智能隐身系统并实现快速有效的自▃适应隐身,是一∞个极具挑战的课题,在此之前还未见成功实验的报道。

                 

                经过ξ三年多的不懈努力,陈红胜研究团队组在充分研→究隐身领域关键技术瓶颈的基础上,在微波段成功实现了智能自适应隐身器件。研究团队提出了新一代智能⊙隐身系统框架;建立了一套完整的时域电磁仿真模型,通过ξ 揭示隐身的瞬态响应机制,用于验证想法的可行性;搭建电磁环境探测器和实验控制系统,设计智能电磁隐身材料,实验采集数据进行深度『学习训练。

                 图:智能隐身系统框架

                 


                无需人为操◇控,15毫秒“换装”


                研究团队设计了一项小车智能隐身实验。探测雷达随机改变着入射波的频率、极∏化和入射角,而小车的任务,就是要能动态适应变化的探测信号,对雷达“隐身”。钱超介绍,小车身披一层超薄的可重构一拥而上的超表面隐〓身材料,这身“隐身衣”由智能芯片控制,它集成了训练∩好的深度学习模型,能够根据输入的电磁信息快速做出决策,改变“隐身衣”的电磁响应。

                 

                当小车自由行使在凹凸╲不平的地面时,电磁环境探▅测器实时感知入射波和小车所处的背景环境,并把信息传给智能芯片。我们知道,当环境刚才那男人什么身份啊发生变化≡,变色龙大约需要6秒①时间过度到环境色;而当电磁环境发生变化时,披着智能隐身衣的小车只需要15毫秒就能自动地实时“换装”,免于电磁波的♀探测。为了测试智能隐身衣的性能,陈红胜教授课题组开展了大量的实验,从不解近场成像和远场散射截面测量等多方面验证了智能隐∏身衣样机的可行性和鲁棒性。

                 

                图:智能隐身实※验装置


                陈红胜教授认为,智能隐身成功地融合了新型电磁材料和人工智能等领域,与传统的适应性光学不同,智能隐身采用硬件的手段实现用于隐身调控的深度学习模型,在应用中∏只需单次前向计算即可做出合理的决策,大大地缩短了响应时间,这一方法对于实时性要求很高的其他应用也有很好的借鉴意义。

                 

                论文评审专家认为,虽然目前有不少研究工作将机◤器学习用来设计光子材料,但很少有实验工作被报道。因此这项研究有很好的标杆意义大哥竟然是和昆虫对话。

                 

                该工作受到国家自↓然科学基金委杰出青年基金项目、国家青年拔尖人才计划等项目资助。博士研究生钱超受到2018年浙江大学博士研究生学术新星培养计划的①资助。

                 

                论文链接:

                https://www.nature.com/articles/s41566-020-0604-2

                文 |  涵冰

                图 |  课题组

                编辑  |  周炜

                来源 |  浙江大学学术委员会


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