基于深度學(xué)習(xí)的新一代智能隱身器件

隱身是人類夢(mèng)想中的超能力之一，也是科學(xué)界的重要挑戰(zhàn)。北京時(shí)間3月24日，光學(xué)領(lǐng)域頂尖期刊《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）在線報(bào)道了浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院陳紅勝教授課題組的一項(xiàng)最新研究。課題組在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)基于深度學(xué)習(xí)的新一代智能隱身器件，在不依賴任何人為操控的情況下，快速地動(dòng)態(tài)適應(yīng)變化的背景環(huán)境，從而與背景電磁環(huán)境特征融為一體，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)隱身。

浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院2017級(jí)博士生錢超是論文的第一作者，陳紅勝教授是論文的通訊作者，浙江大學(xué)為第一完成單位。合作者包括浙江大學(xué)鄭斌副教授、沈煉博士、李爾平教授以及麻省理工學(xué)院沈亦晨博士和靖禮博士。審稿專家認(rèn)為，“這是一項(xiàng)激動(dòng)人心的、及時(shí)而杰出的工作，它連接了變換光學(xué)、電磁超材料和人工智能等領(lǐng)域，為智能光子材料和器件這個(gè)新興領(lǐng)域樹(shù)立了很好的標(biāo)桿，也將大大促進(jìn)其他智能電磁器件的發(fā)展?！?/p>

陳紅勝教授課題組自然界的“隱身高手”

你最想擁有的超能力是什么？心電感應(yīng)，時(shí)間逆轉(zhuǎn)，自由飛翔…… 在眾多答案中，隱身術(shù)一定位列其中吧。古往今來(lái)，從西游記中遁跡匿影的孫悟空到哈利波特手中神奇的魔法棒，無(wú)數(shù)神話電影表達(dá)著人類對(duì)隱身的美好向往，也激勵(lì)著科學(xué)家不斷探尋的腳步。

自然界存有兩種“隱身衣”，是生物的生存利器。一種是“螳螂伺蟬自障葉，可以隱形”，螳螂匿藏于樹(shù)葉之中，其顏色紋理和背景相似，有利于埋伏或進(jìn)攻，這種擬態(tài)隱身在變色龍和章魚(yú)等頭足類生物中最為常見(jiàn)；另一種是透明隱身，即光透過(guò)物體時(shí)不產(chǎn)生任何散射，例如海樽和水母。

近些年，隨著變換光學(xué)和新型人工電磁材料的發(fā)展，隱身相關(guān)的科學(xué)研究飛速發(fā)展。變換光學(xué)隱身方法區(qū)別于上述兩種策略，它是利用坐標(biāo)變換的方法來(lái)控制電磁波，使其能夠繞過(guò)被隱身的區(qū)域，按照原來(lái)的方向傳播，從而達(dá)到物體完全隱形的目的。變換光學(xué)隱身理論自提出后便激發(fā)了科研人員的研究熱情。隨后的十幾年，大量理論和實(shí)驗(yàn)工作涌現(xiàn)，從微波到光頻，從二維到三維，從自由空間到地毯式隱身，從電磁波到聲波水波，極大地促進(jìn)了隱身領(lǐng)域的發(fā)展。

然而，與自然界的“隱身衣”相比，人類的“隱身衣”研究仍然存在電磁參數(shù)苛刻、設(shè)計(jì)制備困難、頻帶窄、色散嚴(yán)重等重要挑戰(zhàn)，導(dǎo)致多數(shù)只能工作在單一的環(huán)境背景和既定的入射波條件。如果稍加改變外界環(huán)境或者入射波，隱身效果便會(huì)大幅度降低。

“理想的隱身衣應(yīng)該和章魚(yú)和變色龍一樣，能夠快速自動(dòng)地適應(yīng)于變化的外界刺激和背景環(huán)境?！标惣t勝教授說(shuō)。章魚(yú)表皮中含有許多色素細(xì)胞，包括黑，紅，黃，白等類型。針對(duì)不同的背景環(huán)境，周圍的肌纖維瞬間擴(kuò)張和收縮色素細(xì)胞，從而改變皮膚的顏色紋理，使其與背景融合。而且，對(duì)于溫度、光線和機(jī)械等外界刺激，章魚(yú)也能隨之響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)趨利避害。

章魚(yú)的自適應(yīng)隱身及其表皮結(jié)構(gòu)讓隱身更“智能”

如何才能像章魚(yú)和變色龍一樣自適應(yīng)于變化的外界刺激和背景環(huán)境？2017年還是碩士研究生的錢超就開(kāi)始著手解決這一難題。如果這一問(wèn)題得到解決，不僅可以將隱身應(yīng)用在動(dòng)態(tài)的、開(kāi)放的、復(fù)雜的場(chǎng)景之中，還可以促進(jìn)其他許多智能電磁材料和器件的發(fā)展，在國(guó)防、航天、海洋等技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

“章魚(yú)有色素細(xì)胞，我們有可重構(gòu)的新型人工電磁材料單元；章魚(yú)有中樞神經(jīng)，我們有深度學(xué)習(xí)方法；章魚(yú)有光敏細(xì)胞，我們可以搭建電磁波和環(huán)境探測(cè)器?！卞X超說(shuō)道。

話雖簡(jiǎn)單，但從無(wú)到有搭建一整套智能隱身系統(tǒng)又談何容易。當(dāng)前，深度學(xué)習(xí)已經(jīng)開(kāi)始滲入電磁材料領(lǐng)域，但是，主要偏重于理論上設(shè)計(jì)優(yōu)化人工電磁材料，例如納米光子和手性材料等。如何在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)新型的智能電磁材料、構(gòu)建新一代智能隱身系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)快速有效的自適應(yīng)隱身，是一個(gè)極具挑戰(zhàn)的課題，在此之前還未見(jiàn)成功實(shí)驗(yàn)的報(bào)道。

經(jīng)過(guò)三年多的不懈努力，陳紅勝研究團(tuán)隊(duì)組在充分研究隱身領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)瓶頸的基礎(chǔ)上，在微波段成功實(shí)現(xiàn)了智能自適應(yīng)隱身器件。研究團(tuán)隊(duì)提出了新一代智能隱身系統(tǒng)框架；建立了一套完整的時(shí)域電磁仿真模型，通過(guò)揭示隱身的瞬態(tài)響應(yīng)機(jī)制，用于驗(yàn)證想法的可行性；搭建電磁環(huán)境探測(cè)器和實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)智能電磁隱身材料，實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練。

智能隱身系統(tǒng)框架無(wú)需人為操控，15毫秒“換裝”

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一項(xiàng)小車智能隱身實(shí)驗(yàn)。探測(cè)雷達(dá)隨機(jī)改變著入射波的頻率、極化和入射角，而小車的任務(wù)，就是要能動(dòng)態(tài)適應(yīng)變化的探測(cè)信號(hào)，對(duì)雷達(dá)“隱身”。錢超介紹，小車身披一層超薄的可重構(gòu)的超表面隱身材料，這身“隱身衣”由智能芯片控制，它集成了訓(xùn)練好的深度學(xué)習(xí)模型，能夠根據(jù)輸入的電磁信息快速做出決策，改變“隱身衣”的電磁響應(yīng)。

當(dāng)小車自由行使在凹凸不平的地面時(shí)，電磁環(huán)境探測(cè)器實(shí)時(shí)感知入射波和小車所處的背景環(huán)境，并把信息傳給智能芯片。我們知道，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化，變色龍大約需要6秒時(shí)間過(guò)度到環(huán)境色；而當(dāng)電磁環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，披著智能隱身衣的小車只需要15毫秒就能自動(dòng)地實(shí)時(shí)“換裝”，免于電磁波的探測(cè)。為了測(cè)試智能隱身衣的性能，陳紅勝教授課題組開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)，從近場(chǎng)成像和遠(yuǎn)場(chǎng)散射截面測(cè)量等多方面驗(yàn)證了智能隱身衣樣機(jī)的可行性和魯棒性。

智能隱身實(shí)驗(yàn)裝置陳紅勝教授認(rèn)為，智能隱身成功地融合了新型電磁材料和人工智能等領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的適應(yīng)性光學(xué)不同，智能隱身采用硬件的手段實(shí)現(xiàn)用于隱身調(diào)控的深度學(xué)習(xí)模型，在應(yīng)用中只需單次前向計(jì)算即可做出合理的決策，大大地縮短了響應(yīng)時(shí)間，這一方法對(duì)于實(shí)時(shí)性要求很高的其他應(yīng)用也有很好的借鑒意義。

論文評(píng)審專家認(rèn)為，雖然目前有不少研究工作將機(jī)器學(xué)習(xí)用來(lái)設(shè)計(jì)光子材料，但很少有實(shí)驗(yàn)工作被報(bào)道。因此這項(xiàng)研究有很好的標(biāo)桿意義。

該工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金委杰出青年基金項(xiàng)目、國(guó)家青年拔尖人才計(jì)劃等項(xiàng)目資助。博士研究生錢超受到2018年浙江大學(xué)博士研究生學(xué)術(shù)新星培養(yǎng)計(jì)劃的資助。