物联网传感器对于可视化多维和多模态信息以及实现未来的信息技术（IT）应用/服务（例如网络物理空间、数字孪生、自动驾驶、智慧城市、虚拟现实/增强现实）至关重要。然而，物联网传感器需要无电池化，才能在实际应用中管理和维护越来越多的可用传感设备。

近日，日本名古屋工业大学（Nagoya Institute of Technology）的研究人员提出了一种新颖的传感器设计方法，该方法采用超构表面来实现多功能传感，而无需外部电源。重要的是，与现有的基于超构表面的传感器不同，所设计的超构表面即使在固定频率下也可以通过打破时域中的经典谐波振荡来感测多个物理参数，使所开发的传感器能够在有限的频率资源下使用。这项研究为感测多种物理特性提供了新的机会，并且无需依赖于外部电源或需要多个频率，显著简化和促进了下一代无线通信系统的设计。相关研究成果以“Metasurface-enabled multifunctional single-frequency sensors without external power”为题发表在NPG Asia Materials期刊上。

本研究提出的基于超构表面的传感器概念图

与传统的结构不同，本文所设计的超构表面是无源的，但由于集总瞬态电路元件，更具体地说，是由于其电路参数（例如电容和电阻），即使在固定频率下也能够打破经典的谐波振荡。特别是，随着电容和电阻根据周围环境发生变化，本文所设计的超构表面能够控制随时间变化的响应，这在文献中尚未得到证明。此外，尽管基于超构表面的传感器根据入射波的脉冲持续时间表现不同，但传感过程本身需要连续波（CW）。因此，如果脉冲宽度足够长，这种超构表面传感器不需要额外复杂的调制技术。

数值模拟反射率曲线

本文所提出基于超构表面的传感方法经过实验验证，能够通过在时域中打破超构表面的谐波振荡且仅使用一个频率分量来估算多个物理量。研究人员的方法是合理的，因为在实际应用中，为避免电磁干扰问题，频率资源的使用受到严格限定。这种方法可应用于工业、科学和医疗（ISM）频段之一，在这些频段，频率资源很容易获得，使用射频（RF）波没有严格的许可问题。此外，这种方法对于管理和设计未来的物联网系统非常有用。

实验验证

在这项研究中，基于超构表面的方法不需要使用电池，却能够对多种物理量进行传感，这解决了未来物联网系统设计中的一个新问题。特别是，尽管这项研究仅限于感测两个物理量作为概念证明，但通过添加能与其它物理量发生反应并表征超构表面时域响应的额外电路组件，所提出的方法可扩展至对两种以上物理量进行传感。

根据反射波形同时估计温度和光强度

为了更实际地用作物联网传感器，需要进一步改进这种基于超构表面的传感器。例如，本研究中演示的超构表面依赖于商用二极管，这些二极管需要大量输入功率来整流输入信号，并改变与物理量相关的时域响应。因此，通过使用定制的低功率二极管来降低功率水平，有助于以节能的方式设计无电池的基于超构表面的多功能传感器。此外，研究人员提出的方法在现实环境中的成功实施取决于反射（或散射）波形与物理量的关系。这项研究通过利用随机森林回归解决了这个问题，该随机森林回归提供了大于0.96的决定系数。尽管其他传感器技术可能提供更高的精度，但通过采用适用于个别应用场景的其它机器学习技术，本研究的决定系数可以进一步提高。

总之，研究人员提出了一种基于超构表面的传感器设计，该设计无需多个频率或外部电源即可实现多功能传感。本文所设计的超构表面在时域中呈现出可变的反射率曲线，这些曲线是由集总电路参数独立确定的，这些参数响应于两个感兴趣的物理量，具体来说是温度和光强。此外，研究人员还介绍了一种利用随机森林回归从超构表面的反射波形估算温度和光强度的方法。因此，成功地检测到了温度和光强，其决定系数分别为0.9861和0.9610。这项研究为在无需外部电源或多个频率的情况下感测多个物理量提供了新的可能性，这有助于下一代无线通信系统的设计。

论文信息：https://www.nature.com/articles/s41427-024-00574-4