可编程超表面（Programmable Metasurfaces，PM）有时也被称为可重构智能表面，是一种能够反射无线信号并实时动态操控电磁波的智能表面。这些表面在开发许多尖端技术方面具有显著优势，包括先进传感和无线通信系统。

图片来源：《Nature Communications》

据外媒报道，东南大学（Southeast University）、萨尼奥大学（University of Sannio）和巴黎萨克雷大学-法国国家科学研究中心（Université Paris-Saclay-CNRS）的研究人员发现，一种被称为“时空编码超表面”的特定PM可以同时支持传感和无线通信功能。相关研究发表在期刊《自然通讯》（Nature Communications）上，论文介绍了两种基于研究人员开发的时空编码超表面的集成传感与通信（ISAC，又称通感一体化）方案。

该论文的资深作者之一崔铁军教授表示：“我们的研究源于一个基本问题：能否通过单一设备实现高速无线通信的同时，还能感知周围环境？随着我们迈向6G时代——有望实现超高速、近乎零延迟以及广泛的新应用——对更集成和更智能系统的需求日益增加。未来的网络不仅需要传输数据，还必须与周围环境互动并作出响应。”

受无缝连接未来的愿景启发，崔铁军及其同事着手开发了一种新型PM，能够同时支持高速通信和实时环境感知。他们研究的主要目标是推动网络基础设施的进步，简化其底层结构，降低成本，并最终使其能够满足6G技术带来的更大需求。

崔铁军解释道：“我们系统的核心是一种称为时空编码超表面的技术——这是一种智能、可编程的表面，其功能不仅限于反射无线信号。与被动反射光线的传统镜子不同，这种表面能够主动操控其反射的信号。每个元件都包含可开关的二极管，能够动态塑造电磁波的传播。”

值得注意的是，崔铁军及其同事设计的超表面不仅支持与其交互的信号的原始频率，还支持额外的谐波频率，这些谐波频率可以被高精度地控制。原始频率可用于实现高质量通信，而可控的谐波则支持通过机器学习算法实时感知周围环境并检测目标信号。

崔铁军表示：“这种双重功能使得单一设备能够在保持稳定连接的同时，实时感知环境——追踪运动、检测物体并实时适应变化。”

为了评估所提出的传感与通信系统的性能，研究人员制作了一个在微波频率（具体为10.3GHz）下工作的超表面原型。在初步测试中，这种可编程表面被证明能够有效处理通信和传感任务。

崔铁军表示：“我们的原型能够动态适应环境变化——追踪移动用户、实现稳定连接并准确检测障碍物。实际上，这种方法可以降低系统复杂性和成本、优化可用频谱的使用以及增强无线通信基础设施的整体可持续性，从而改变未来的移动网络。”

崔铁军及其同事的这项最新研究可能会激发其他研究团队设计类似的时空编码超表面，以实现同时传感和通信的功能。未来，该系统可以进一步改进并应用于各种现实场景，从智慧城市到家庭安防、工业机器人和自动驾驶汽车。

崔铁军补充道：“展望未来，我们正致力于在系统层面集成先进的人工智能技术，使这些智能表面能够做出复杂的实时决策，进一步提升通信和传感能力。增强安全措施仍然是确保稳健、可靠和受保护运行的关键重点。最终，我们的目标是开发能够无缝适应用户需求的智能环境，将日常空间——从家庭到整个城市——转变为更加互联、响应迅速和高效的生态系统。”