无论是侵入性还是非侵入性，脑机接口 (BCI)都有无与伦比的前景，有望帮助有需要的患者更好地与周围环境互动。受到基于 BCI 受神经系统损伤和截肢的启发，我们提出了一种电磁计算机计算机?超表面（EBCM）通过脑信号直接和非侵入性地调整范式。我们通过实验表明，我们 EBCM 平台可以基于 P300 脑电波的诱发电位直接无创地调节人类认知。非侵入性处理电磁域中的数字编码信息，可以通过信息超表面自动化和无线进一步处理和传输。两个EBCM 操作员通过准确的文本传输执行人脑的直接无线通信。此外，使用相同的 EBCM 该平台展示了视觉光束扫描、波调制和模式编码等灵活定制的信息处理和合成能力。
基于P300扫描脑信号分析
一个40通道EEG放大器NuAmps（Compumedics，Neuroscan，lnc.Australis）和一个30通道EEG帽（LT37)收集跟随扩展的10-20系统EEG信号，并参考右侧乳突的信号。在数据收集过程中，所有电极阻抗保持在5000欧姆以下。在操作超表面之前，指示操作员执行校准阶段，收集脑电信号，建立在线操作阶段训练预测模型的培训集。校准阶段由30次试验组成，每次试验由10轮按钮闪烁组成。在每次测试中，操作员被指示专注于目标按钮BCI程序指定。然后对收集到的30通道脑电信号进行预处理和特征提取。
文本通信的编码和解码方法
一旦在文本通信方案中BCI设备检测到操作员大脑信号的文本，FPGA就应该通过串口接收文本，并根据字符的ASCI二进制序列进制序列。以字符A为例，帧头和AASCI由代码组成的最终编码序列被编码为1111万万万万万万万万万万万万一。编码序列也是如此FPGA0和1的切换序列是低反射强度和高反射强度的模式。我们在这里采用RCS作为0和1，减少模式和单波束模式。FPGA总是监控串行端口，并在序列周期内切换超表面模式。在接收部分，集成在超表面周围的微带天线负责接收器对发射能量的检测。首先是耦合能量LNA放大并高精度发送到检测器。
为了恢复发射制器频率的10倍，以恢复发射信号。检测到的电压是ADC内转换为数字，然后接收FPGA处理。
EM在标准微波室进行测量，包括光束偏转RCS 降低和OAM光束生成。
远场测量系统由一个旋转工作台、两个标准喇叭天线和一个信号发生器组成（Keysight E8267D）、频谱分析仪（Keysight E4447A）和一个LNA组成。馈电喇叭和超表面样品固定在可旋转的工作台上进行远场测试。在测量OAM当相位分布时，测量是在近场测量系统中进行的，该系统由二维扫描架和矢量网络分析仪组成（Agilent N5230C）、探头和LNA组成。在通信方案中，应用信号生成模块（LMX2594）和LNA激发元表面。10接收检测器MHz采样频率。
EBCM的原理
即使脑信号能直接传递身体动作，脑接口也被一个流行的概念所吸引。在一定时间序列的视觉刺激下，可以从大脑信号中识别出非侵入性电极P300电位。在这项工作中，我们将直观地工作P300编码特性与可编程信息超表面相结合，通过实验演示P300的鲁棒EBCM，以展示对EM无线信息（例如，合成、操作和编码/解码）的鲁棒控制仅来自大脑信号和设计功能的输入，如图1a所示。
图1. EBCM 平台。a EBCM 系统架构。配备电极和 P300 BCI 在具有特定临时编码序列的视觉刺激下，设备操作员可以直接指示多种类型 EM 超表面的功能。演示了脑-无线通信、编码模式编码、波束扫描和多功能电磁调制四种典型方案。b不同圆圈的按钮代表不同的光束散射方向，其中高光刺激是绿色块。c刺激序列示意图 40行代表 40 按钮，色块标记按钮亮度，每个按钮连续 100 ms。d实验测量的 fve 按键操作的脑电信号是300 ms 左右幅度峰值明显。
显示器放置在操作员面前，显示图形用户界面（GUl），还有一个虚拟按钮矩阵，如图1所示b所示。对应不同的按钮EBCM操作不同的编码模式。每个Trial 按钮开始按随机顺序闪烁约5轮，每轮包含每个按钮一次闪烁。快速序列在每次试验前随机生成。图1c在光束扫描方案中案中40个按钮(40行)的闪烁序列，其中黄色方块表示刺激的起点。Te垂直轴表示从1到40的按钮数量，而水平轴表示在图1中c160条标记的160连续刺激闪烁。图1c每个标记的块代表30ms每个fash持续100ms，这将跨越超过3个块。在图1d测量显示在中间EEG红蓝曲线对应于目标和非目标刺激的信号。
基于EBCM思想无线文本通信
充分展示EBCM我们设计并实验了无线文本通信的应用，如图2所示a 所示。我们展示了我们EBCM从一个操作员到另一个操作员的文本无线传输：
操作员A作为文本发送器，通过目视EBCM的GUI在字符按钮上发送字母。当目标字母从EEG基于信号解码ASCI编码序列在FPGA实现切换时变模式。
在编码过程中，代表相关文本字符的按钮对应ASClI因此，选定的按钮直接翻译成带帧头的二进制ASCI如图2所示，代码为111111000c所示。根据最终代码，超表面将高强度或低强度反射到空间中。在解码过程中，我们首先使用接收通道收集空间EM能量包括嵌入在超表面旁边的微带天线，如图2所示e以及低噪声放大器（LNA）和高速由FPGA模数转换器的控制（ADC）。收集到的数据流是10系列帧集MHz采集速率下的采样强度。使用解码算法定位帧头的位置来确定数据帧的起点，如图2所示f所示。十个采样数据被转换为二进制ASCIl码，我们在GUI文本显示在中间。
图2.使用EBCM无线文本通信。a文本通信系统的系统架构、编码和解码过程。b-d从脑电信号到传输的电磁信号的编码过程，其中b所示的脑电信号首先由BCI检测并转换为C中的数字序列进行无线传输，然后通过D中不同模式范围的超表面辐射。e-g无线通信、天线和FPGA首先，接收和采样来自空间的信号，并将其转换为数字信号。将采样数据离散化为0/1码，如f所示，最后翻译成文本显示。
无线通信实验的实现和结果
如图3所示a所示，发送和接收部分用橙色和绿色标记。在传输部分，首先检测脑电信号，然后使用BCI处理和转换设备FPGA相应的控制信号。按图2控制信号b-d所示相应接口的信号编码原理。FPGA执行编码模式的排列PIN二极管驱动到所需状态。在接收部分，超表面旁边的微带天线（MSA）从发射器中获取EM并发送信号LNA和检测器。检测器采样模拟幅度，然后进一步转换为FPGA数字代码。提出的过程是单向的，但是EBCM通信系统是双向的，因为发送和接收的前沿是超表面和MSA，如图3b这使得同一运营商能够同时发送和接收EBCM。当一个超表面发送信号时，另一个超表面旁边MSA接收并解调它。类似的过程也可以反向执行。实验场景如图3所示c操作员A执行文本传输任务，操作员B接收并读取文本。超表面发射与接收的距离约为1.3m，发射超表面的距离为0.3m受到宽带天线的刺激，接收器集成在接收超表面附近的天线上LNA和高速检测器和一个ADC，由另一个FPGA控制。接收和解调的字母和文本最终显示在设计中GUI上。
图3.实现无线文本通信。a无线文本通信实验的系统架构。b发射和接收部分的工作原理示意图。c直接通过EBCM在两个操作员之间放置泡沫板来验证无线文本通信的实验场景。
图4a说明了通道OZ处理两种刺激类型(目标和非目标)后EEG响应。为了充分展示无线通信，我们进一步提供了12段测量EM信号包括字母H、E、L、O、B、C、I、S、M、E、T、A如图4所示b-d，高幅度和低幅度分别表示ASCIl码中的1和0。所提供的数据由EM检测器收集，然后归一化。每次检测都会产生一个振幅脉冲和多个振幅脉冲来形成显示的数据，其中高振幅和低振幅分别表示代码1和0。根据图4b-d，这些字母可以清楚地观察到ASClIl代码。请注意，即使在不同的时间和状态下测试相同的脑电信号波形一个字母也不相同。基于P300的脑电检测是针对被测者在被刺激后300ms有一个明显的峰值，证明对应的按键被触发。
图4.使用EBCM进行无线文本通信的实验结果。a在文本通信方案中实验测量的EEG信号。呈现与五个字母“HELLO”相对应的脑电图片段以进行演示。b-d字母“HELO”、“BCIS”和“META”的测量电磁信号。归一化的幅度调制信号呈现这些字母的ASCIl码，其中高幅度和低幅度表示“1”和“0”。
EBCM波前合成的更多功能
为了进一步展示脑信号波前合成的更多功能，本研究设计了三个典型应用，包括视觉光束扫描、多重电磁调制和编码模式输入。如图5a所示，我们建立了一个EBCM的演示原型，其中超表面被发光二极管（LED）版本代替了PIN二极管。由于超表面上的编码模式直接决定了EM函数，我们嵌入LED以直观地可视化EBCM验证系统中的模式控制。在视觉光束扫描方案中，操作员可以通过简单地盯着天空中的各个方向，使用EBCM相应地引导EM光束扫描，如图5b所示。
为了通过EBCM实现多个EM调制，我们设计了一个特定的界面，以表明操作员可以直接驱动EBCM以实现各种EM功能，包括光束偏转、轨道角动量（OAM）光束代和雷达截面（RCS）控制，如图5c所示。这些函数的模拟结果如图5d-m所示。例如，我们在图5d中说明了由均匀相位图案产生的垂直反射单光束的结果，在图5e-g中说明了三个偏转角的结果，其中模拟数据清楚地表明了15的散射方向°、30°和45°，表明与红十字标记的测量方向高度一致。在RCS电平控制中，从“01”到“04”的四个RCS吨将产生图5i-1中所示的散射场，显示散射电平为-15dB、-12dB、-9dB和-6分贝，分别。对于OAM光束的产生，我们在图5h和m中展示了两个OAM模式（+1和+2）的两个散射场，其中可以清楚地观察到中心幅度零点。
图5.使用EBCM的多功能波前合成的更多功能。a模式编码方案的实验照片。b EBCM光束扫描示意图。BCI算子的视觉凝视直接驱动超表面将散射方向调整到所需的角度。每个按钮都与标记的特定散射方向相关。c三种典型的EM功能，包括光束扫描、OAM光束生成和RCS控制。d-g四种光束扫描场的模拟结果，其中主要方向的测量结果用红叉标记，散射光束沿x轴从0°转向45。g-j RCS控制的模拟场结果，其中01到04表示四个级别的反射强度。k,l OAM模式+1和+2的远场模拟结果。
本研究提出了一个EBCM平台，用于在非侵入性脑信号下进行直接的思维文本无线通信和各种EM操作。我们建立了一种从操作者意识到超表面模式的新控制方式，并通过结合P300BC设备和可编程超表面来实现EM功能。我们提出并通过实验验证了一个无线文本通信演示直接传输两个运营商之间基于EBCM的信息从头脑到头脑。我们表明，操作员不再需要任何涉及肌肉的动作，而只需盯着特定的视觉按钮以获得相关的顺序刺激，EBCM可以识别这些刺激并转化为相应的EM信号通讯。我们还展示了三种具有不同功能的典型方案，包括视觉光束扫描、多EM功能切换和超表面图案输入，其中包含20多种编码图案，用于不同的单光束扫描、多光束形成、OAM光束生成、和RCS控制。该工作结合电磁波空间和脑机接口，可能会进一步开辟探索超表面、人脑智能和人工智能深度融合的新方向，从而构建新一代的生物智能超表面系统。
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