摘要： 浙江大学研究团队在《Nature Communications》上发表综述文章，深入探讨了人工智能（AI）与超材料（Metamaterials）之间的双向互动，揭示了“智能超材料（AI for Metamaterials）”和“超材料智能（Metamaterials for AI）”两大新兴研究方向的最新进展，为电磁调控、智能计算等领域带来了革命性的突破。
北京，2025年2月10日 – 想象一下，未来的汽车能够根据周围环境的变化，实时调整自身的隐身性能，躲避雷达探测；未来的通信基站能够利用电磁波的衍射、散射和干涉等物理特性，以光速进行信息处理，实现更高效、更节能的无线通信。这些看似科幻的场景，正随着人工智能（AI）与超材料（Metamaterials）的深度融合而逐渐成为现实。
超材料，作为一种人工设计的亚波长结构材料，能够打破自然材料的物理限制，实现负折射、隐身斗篷等奇异现象。然而，传统超材料在动态环境下的应用面临着巨大的挑战，如同“精密的机械手表”，无法根据环境变化自主调整。人工智能的快速发展，为解决这些问题带来了新的希望。
近日，来自浙江大学的研究人员在《Nature Communications》上发表了一篇题为“A guidance to intelligent metamaterials and metamaterials intelligence”的综述文章，系统梳理了AI与超材料的双向互动关系，揭示了“智能超材料（AI for Metamaterials）”和“超材料智能（Metamaterials for AI）”两大新兴研究方向的最新进展。
电磁调控的革命与困境
超材料自20世纪末问世以来，凭借其独特的电磁波操控能力，迅速成为光学、声学、热学等多个领域的研究热点。通过精心设计其亚波长单元结构，超材料能够实现负折射、超分辨率成像、隐身等奇异现象。然而，传统超材料的设计过程依赖于大量的数值模拟和实验验证，耗时且效率低下。
与此同时，AI技术，尤其是深度学习，在图像识别、自然语言处理等领域取得了显著进展，展现出强大的非线性拟合和泛化能力。正是基于这一背景，研究团队提出了将AI与超材料相结合的研究思路，旨在通过AI加速超材料的设计过程，并赋予超材料智能化的功能。
AI赋能超材料设计：从预测到逆向设计
在“AI for Metamaterials”方向，AI主要应用于超材料的正向预测、逆向设计和光谱关联三个方面。
- 正向预测： 利用AI模型快速预测给定超材料的电磁响应，显著提高设计效率。
- 逆向设计： 通过生成对抗网络（GAN）和变分自编码器（VAE）等生成模型，根据用户期望的电磁响应，设计出相应的超材料结构，解决传统优化算法难以找到全局最优解的问题。
- 光谱关联： 通过低频频段的光谱信息推断高频频段的光谱响应，降低高频模拟的时间成本。
超材料助力AI发展：波基计算的新平台
另一方面，超材料也为AI提供了全新的计算平台，即“Metamaterials for AI”。传统的电子计算受限于摩尔定律，面临着互联延迟和散热等问题。超材料为基于波的计算（Wave-Based Computing）提供了一个全新的平台。这种计算方式利用电磁波的衍射、散射和干涉等物理特性，以光速进行信息处理，具有低功耗和天然的并行计算优势。
波基神经网络（Wave-based Neural Network）是超材料智能的核心应用之一。通过设计超材料的结构，可以实现类似于人工神经网络（ANN）的矩阵乘法和非线性激活功能。例如，衍射神经网络（Diffractive Neural Network）通过多层衍射层对入射光进行调制，最终在输出层显示计算结果。
智能超器件：感知、决策、执行的闭环系统
智能超器件是智能超材料的最终目标，其核心在于实现“感知 – 决策 – 执行”的闭环系统。浙江大学研究团队开发了一种自适应隐身“cloak”，能够根据环境变化自动调整其反射特性，实现毫秒级的自我适应。实验表明，该“cloak”在复杂环境中表现出极高的鲁棒性，为隐身技术的实际应用奠定了基础。
此外，在无线通信领域，超材料也展现出巨大的潜力。通过设计智能反射面（Intelligent Reflecting Surface, IRS），可以动态地调整无线信号的传播路径，提高信号覆盖范围和传输速率。
未来展望：AI与超材料的融合将重塑科技格局
浙江大学的这项综述研究，不仅系统梳理了AI与超材料的最新进展，也为未来的研究方向提供了重要的指导。随着AI技术的不断发展和超材料设计的日益精细化，我们有理由相信，AI与超材料的融合将重塑科技格局，为电磁调控、智能计算、无线通信等领域带来革命性的突破。
参考文献：
- A guidance to intelligent metamaterials and metamaterials intelligence. Nature Communications, 16, 682 (2025). https://www.nature.com/articles/s41467-023-40619-w
- Self-adaptive cloaking of objects in complex scattering environments. Nature Nanotechnology, 15, 279–284 (2020). https://www.nature.com/articles/s41566-020-0604-2
（完）
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