《Applied Thermal Engineering》：Research Progress in programmable Metasurfaces for electromagnetic manipulation, space-time coding, and intelligent communications
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可编程的超表面具有数字电磁控制的可调节机制，能够实现相位、幅度和极化的多维操控。
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时空编码实现了对光束、谐波和光谱的动态控制。
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RIS和AI推动了可编程超表面向自适应电磁信息系统的发展。
引言
超材料是一种人工设计的特殊材料，其概
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可编程的超表面具有数字电磁控制的可调节机制，能够实现相位、幅度和极化的多维操控。
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时空编码实现了对光束、谐波和光谱的动态控制。
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RIS和AI推动了可编程超表面向自适应电磁信息系统的发展。
引言
超材料是一种人工设计的特殊材料，其概念源自Victor Veselago的理论基础[1]，由具有特定几何形状的亚波长单元组成，在三维（3D）空间中周期性或非周期性排列[2]。因此，它们可以扩展自然材料难以实现的电磁响应范围，产生独特的性质[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。在过去的二十年里，超材料已在多个领域找到应用，促进了诸如负折射[9]、[10]、[11]、完美隐身[12]、高分辨率成像[12]、[13]、金属透镜[15]、[16]和高增益透镜天线[17]、[18]、[19]、[20]等突破。然而，传统的超材料通常功能有限、工作带宽窄且集成困难。作为超材料的二维等效物，超表面是由亚波长单元组成的平面人工结构，能够在界面处实现电磁波的定制控制。2011年，Yu和Capasso等人[21]提出了广义Snell定律，并设计了具有空间变化相位梯度的超表面，为超表面设计和应用提供了开创性的范例。通过使用具有亚波长厚度的平面微结构阵列，超表面能够在多个自由度上（包括相位、幅度和极化）实现对电磁波特性的灵活操控。迄今为止，已经成功实现了多种功能，包括超表面全息[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、异常反射[31]、[32]、[33]、完美反射[34]、轨道角动量（OAM）操控[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、吸收器[41]、[42]、[43]、[44]、[45]以及极化转换[46]、[47]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]。
尽管传统的超表面表现出强大的波前操控能力，但大多数早期设计都是被动和静态的。一旦微/纳米单元制造完成，它们的电磁特性（如共振频率、极化响应和光束方向）通常是固定的，这使它们难以适应动态场景。2014年，Cui等人[53]以及Della Giovampaola和Engheta的研究团队[54]独立提出了“数字编码和可编程超材料”的重要概念。数字编码超表面可以通过可重构编码[55]、[56]、[57]实现动态电磁波操控，这为解决上述问题提供了一种新方法。这一概念将物理波操控与数字信息控制联系起来，使得全息[59]、[60]、[61]、[62]、光束转向[63]、[64]、[65]、[66]、[67]、[68]、[69]、[70]、[71]、[72]、[73]、[74]、[75]、[76]等应用成为可能。此外，文献中还报道了多种用于控制电磁波的可编程超表面调制机制，如液晶[77]、[78]、[79]、相变材料[80]、[81]、液态金属[82]、[83]、[84]、[85]、[86]、[87]、石墨烯[88]、[89]、[90]、[91]和二氧化钒[92]、[93]，进一步扩展了可编程超表面的操控维度和工作频率范围。这些进步将超表面研究从静态波前成型推向了可编程、自适应和系统级别的电磁控制。此外，关于复杂介质中的可调响应、多场耦合调制和波场重建的相关研究为理解多维调制机制、系统设计路径以及超表面的潜在应用扩展提供了有用的参考[94]、[95]、[96]、[97]、[98]。
随着研究逐渐从设备级别的波前操控转向系统级别的功能集成，可重构智能表面（RIS）已成为实现5G及6G以后无线通信最重要的关键技术[99]、[100]、[101]。传统的海量多输入多输出（MIMO）基本上仍然“被动地”适应信道，而在复杂环境下，其容量增益已接近理论极限。RIS的引入逐渐将无线传播环境从被动传播介质转变为可调智能节点。然而，随着RIS向超大规模和亚波长密集元件发展，连续空间中的电磁波传播特性以及阵列元件之间的相互耦合变得不可忽视。由于经典香农信息理论无法准确揭示系统的真实物理极限，经典电磁理论与信息理论的基本融合催生了EIT框架[102]、[103]。
近年来，关于可编程超表面的研究已经从单一维度的相位、幅度和极化操控扩展到时空编码、RIS/SIM架构、OAM复用[104]、[105]、[106]和智能通信设计。相关研究表明，这类设备不仅可以实现波前成型[107]，还能支持多用户通信、光束训练、联合ISAC优化、光谱重建和无线能量传输。这些进步正在推动可编程超表面从设备级别的操控向系统级别的功能集成发展。另一方面，以深度学习为代表的人工神经网络的近期发展和成熟为突破上述物理设计障碍提供了全新的范式[108]、[109]、[110]、[111]。作为强大的数据驱动工具，神经网络可以通过学习大量结构参数与电磁响应之间的高维非线性映射关系来构建高效的替代模型[112]、[113]。
基于这些发展，本综述重点关注可编程超表面从电磁波操控向智能电磁信息系统的演变。首先，它总结了基本的操控维度，包括相位、幅度和极化及其联合控制，并讨论了均匀和非均匀调谐等典型实现机制。其次，介绍了时域编码和时空编码超表面，强调了时间调制如何扩展谐波操控、光谱移动和动态光束控制的能力。然后讨论了可重构智能表面与电磁信息理论的集成，重点关注空间自由度、容量限制、信道估计和通信导向的应用。最后，总结了神经网络在正向预测、逆向设计、物理神经计算和RIS辅助通信优化中的应用。通过这种结构，本综述旨在突出“操控维度与机制、时空编码、RIS通信系统和神经网络辅助优化”的框架，如图1所示。
部分摘录
可编程超表面的操控维度与机制
在可编程超表面的研究框架中，操控维度是表征其表达电磁功能能力的核心要素，也是它们与传统静态超表面区分的关键。与传统设计不同，可编程超表面通过引入离散编码和主动调谐方法，能够实现电磁波的多个物理参数的操控。
可编程超表面的时空编码机制和功能模式
前面章节讨论的可编程超表面主要关注空间维度中电磁波前场的静态或准静态重构，其编码序列通常随时间轴保持不变。研究界逐渐认识到，在电磁操控系统中引入“时间”可以扩展传统线性时不变（LTI）系统无法实现的操控能力。
智能超表面：从电磁信息理论极限到信道估计和自由度
在前面的章节中，我们深入探讨了可编程超表面在空间和时间维度上的灵活操控能力。然而，随着超表面技术向具有超大规模孔径和亚波长密集元件的可重构智能表面（RIS）的发展[166]、[167]、[168]，并深度集成到无线通信系统中，基于离散的传统经典信息理论已不再适用。
编码超表面与神经网络的结合应用
可编程超表面（PMs）与神经网络的深度集成正在推动电磁空间的智能化[200]、[201]。一方面，神经网络使超表面能够实现实时动态操控。通过引入前馈神经网络（FNNs）或元学习架构，它们可以准确高效地拟合复杂电磁响应与PM编码序列之间的非线性映射。
总结与展望
关于超表面的研究已逐渐从仅相位操控扩展到多维控制、时空编码、RIS系统集成和人工智能辅助设计。对光束成型[243]、[244]、[245]、[246]、[247]、[248]、雷达截面控制[249]、[250]、[251]、极化调制[52]、[252]、[253]、[254]、[255]、[256]、太赫兹光束生成[257]、[258]、[259]、[260]、[261]、[262]、片上光场操控的研究
数据和材料的获取
如有需要，原始数据可通过作者获得。
资助
作者感谢浙江省自然科学基金会（LZ26F050005、LQN25F050003）；国家重点研发计划（2025ZD0619002、2024YFB3310800）；浙江省重点研发计划（2025C01039、2024C01108）；宁波市重大项目（2024Z114）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
陈阳 | 曼娜·古 | 张东平 | 方波 | 金永星 | 王瑞 | 天英 | 静旭峰
