“物竞天择，适者生存”，自然界的生物为了抗衡形形色色的生存压力，都进化出了自己独特的生存“绝技”，伪装术就是其中之一。例如，赫摩里奥普雷斯（hemeroplanes）毛毛虫，一种生活在美洲和非洲的飞蛾幼虫。当面临威胁时，赫摩里奥普雷斯会迅速扩张身体前部，模仿毒蛇的样子(包括眼睛、鼻孔和鳞片)来吓跑捕食者，甚至会对捕食者做出蛇一般的冲刺猛咬动作。虽然没有真正的毒牙，也不会给对方造成严重伤害，但是它们的架势足够令对方信服，哪怕是人也会避之不及。
图a为毛毛虫伪装前的样貌，图b为毛毛虫伪装变身后的“类蛇”样貌
伪装术智能光学幻觉
受到赫摩里奥普雷斯毛毛虫伪装变身过程的启发，浙江大学信息与电子工程学院陈红胜教授课题组首次提出了一种智能光学幻觉方法，利用简单易行的超构表面，通过深度学习快速实现任意光学幻觉的需求。实验中，研究团队建立了一套完整的智能系统（包括智能电磁波探测器以及用户现场自定义系统）实现现场近远场的智能光学幻觉。该工作发表在国际著名期刊《Advanced Functional Materials》上，浙江大学信息与电子工程学院2021级博士生贾月恬是论文的第一作者，浙江大学钱超研究员、蔡通博士和陈红胜教授是论文的共同通讯作者。
基于全局超构表面逆设计的智能光学幻觉系统示意图
基于全局超构表面重建的深度学习系统
不同于目前大多数聚焦于微观局部超构表面的逆向设计，陈红胜研究团队站在宏观角度，实现了大尺寸超构表面的全局重建，这不仅考虑了超单元之间的耦合、光-超构表面的复杂相互作用，还将共形超构表面中的多阶散射等问题考虑在内。针对用户不同的光学幻觉需求，研究者利用两个特定的卷积神经网络来解决这两个典型的光学任务，并以任意弯曲的共形超构表面为模型进行设计。
图a：相比于现有智能微观超构表面设计的优势；图b：针对近、远场的深度学习系统
新型智能幻觉系统现场伪装术
为了进一步验证该智能设计的通用性，研究团队搭建了一套完整的智能幻觉系统。其中，智能电磁波探测器由一个8端口超构表面阵列组成，覆盖整个X波段，可同时实现对入射波频率、方向和极化的探测。以鳄鱼为例，研究者将不同姿态下鳄鱼的测试远场作为目标幻觉，并结合探测所得的入射波频率、方向和极化，一并输入到深度学习系统中，继而快速输出相应的超构表面排布，赋予超构表面以“伪装”能力，使其对应远场的光学响应与鳄鱼相近。
图a：新型智能光学幻觉系统示意图；图b、d：鳄鱼两种不同姿势的视错觉实验；图c、e：远场实验测试结果
基于全局超构表面逆向设计的智能光学幻觉的实现，不仅定义了一种新型的光学幻觉范式，也极大促进了智能电磁器件、智能超材料的发展。此外，宽带超构单元和深度学习的结合可以使得该幻觉系统的工作带宽有更大的提升，而与可重构超表面的结合，可以使智能幻觉更接近实际、动态和复杂的应用场景。
参考文献：
Y. Jia, C. Qian, Z. Fan, et al. In situ customized illusion enabled by global metasurface reconstruction. Advanced Functional Materials 2022, 2109331.
https://doi.org/10.1002/adfm.202109331
来源：高分子科学前沿
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