前沿：Nature Communications | 基于脑机时空编码超表面的安全无线通信和智能设备控制

近日，东南大学毫米波全国重点实验室崔铁军院士团队、东南大学机械工程学院牛亚峰教授团队和北京大学李廉林教授团队合作，提出了一种深度融合脑机接口视觉刺激编码与超表面时空编码的策略，实现了人脑和外部设备之间可靠安全的信息传输与大脑控制，所提出的无线脑机接口方案可以为人机交互和智能超表面建立一个安全的脑机工作范式，为下一代无线安全通信和智能交互提供了一个潜在的解决方案。相关研究工作以题为“Secure wireless communication of brain–computer interface and mind control of smart devices enabled by space-time-coding metasurface”的论文，于2025年8月25日发表在国际知名期刊《Nature Communications》上[1]。崔铁军院士、马骞副教授和牛亚峰教授为论文共同通讯作者，肖强博士、范林涵博士生和马骞副教授为共同第一作者。

近年来，脑机接口（Brain-computer interface，BCI）在人脑和外部设备之间提供了一条相互连接的交互通路，已成为人机交互领域的前沿技术，并展示了非常具有前景的应用。非侵入式的脑电图信号仍然是BCI系统中的主要输入信号形式，主要包括运动想像、P300和稳态视觉诱发电位（SSVEP）。基于SSVEP的BCI系统利用大脑对固定频率视觉刺激的SSVEP反应进行思维识别和交互，提供了高信息传输速率的显著优势。6G无线通信技术的进步极大地扩展了BCI的潜在应用。因此，在促进所构建的通信环境中的智能交互时，确保BCI用户和设备的高度信息安全和隐私保护变得至关重要。此外，视觉刺激往往与后端信息处理相隔离，缺乏深度集成和交互。随着对安全BCI系统需求的增加，在安全可靠的无线通信环境中实现智能交互至关重要。时空编码超表面的可编程谐波特性与SSVEP脑电信号的频率响应具有显著的相似性。因此，时空编码表面作为一种具有巨大潜力的方法，它不仅提供视觉刺激，而且由于其在时间和空间范围内灵活操纵电磁波的强大能力，在物理层可增强BCI系统的安全性。在此背景下，研究团队深度融合BCI视觉刺激编码与超表面时空编码，提出了一种脑机时空超表面平台，实现了安全的无线通信传输和意念远程控制智能设备，为人机交互提出了一种新的工作范式。

研究团队提出了一种脑机时空编码超表面（brain space-time-coding metasurface，BSTCM）平台，该平台将基于SSVEP的脑机接口视觉刺激与外部环境的信息交互无缝集成，提高了系统的紧凑性和可靠性，如图1所示。由于超表面的切换频率明显高于SSVEP视觉刺激频率，可将时空超表面信号融合到低频的视觉刺激信号中，其中两个信号在时间上被合成，以生成同时支持视觉闪烁和电磁操控的BSTCM信号。为了实现这种融合编码，采用了如下创新设计（如图2所示），时空编码超表面单元同时集成了用于电磁调控的单元结构和用于BCI视觉刺激的发光二极管（LED）刺激器，整个超表面分成四个不同视觉刺激频率的区域进行交互。当用户凝视不同频率闪烁的LED时，脑电帽可以准确捕获相应的脑电图信号。随后，通过使用机器学习算法对不同的脑电信号进行准确的分类，可以将大脑的意图识别为不同的指令，并将指令传输到FPGA中，将超表面的时空编码与视觉刺激编码融合以生成BSTCM控制信号，进而控制时空编码超表面进行信息交互。

图2 脑机时空编码超表面单元结构及BSTCM信号编码示意图

为了验证提出的脑机时空超表面平台性能，我们展示了一个结合物理层安全和密码学加密方法的安全加密无线通信系统，如图3所示。在所提出的安全加密无线通信系统中，首先将传输的信息随机加密为两个密文。然后，BCI操作人员自由凝视四个BSTCM区域的视觉刺激，构建两个不同谐波频率相关的物理信道（+1阶和-1阶谐波），分别将两个密文的比特流数据发送给两个指定的谐波用户。因此，不同的脑电图信号被生成并分类为四个命令，然后被发送到FPGA以产生相应的四个BSTCM信号，如图2j–m所示。在解密过程中，需要在指定的谐波通信信道收集两个不同的密文，通过异或操作可恢复原始信息，提出的BSTCM系统展现了强大的信息安全级别。未来，加密方案可以扩展到包括更多用户，进一步增强BSTCM系统的安全性。

此外，研究团队利用提出的BSTCM平台实现了远程意念控制设备（如图4所示）。BCI用户通过凝视BSTCM四个不同视觉刺激频率的区域，大脑产生的不同脑电信号被采集和识别为四个不同指令，控制时空超表面分别生成四个不同的谐波频率和波束指向。当位于四个不同空间方向的接收天线接收到相应的谐波波束时，可控制对应位置的智能设备（如LED灯），实现意念远程控制智能设备。

图3 基于脑机时空编码超表面的安全无线通信系

图4 基于脑机时空编码超表面的意念控制设备

本研究深度融合了脑机接口视觉刺激编码和超表面时空编码两者的特性，提出了一种脑机时空编码超表面，可以同时实现BCI视觉刺激与电磁信息交互。借助脑机时空编码超表面赋予的物理层安全特性，实现了安全的无线通信传输和意念远程控制智能设备，为BCI无线通信提供了安全保障。提出的脑机时空编码超表面将电磁操纵能力与人脑智能相结合，为人机界面和未来6G无线通信应用之间的交互提供了一种具有潜力的解决方案。

该工作得到了国家自然科学基金（62288101,92167202,62301147,72171044）, 国家重点研发计划项目（2022YFA1404903）、江苏省多维感知信息技术联合实验室项目（BM2022017）、青年人才托举工程项目（2022QNRC001）等资助。