智能超表面：引領未來科技的神奇“魔鏡”

在科技日新月異的今天，一種名為智能超表面的新技術正在悄然改變我們的生活。它看似普通，卻擁有操控電磁波的神奇能力，就像一面能夠隨心所欲改變光線方向的“魔鏡”。從讓手機信號暢通無阻，到助力無人駕駛汽車精準感知，再到為元宇宙世界構建高速通道，智能超表面正在各個領域大顯身手。本文將帶您走進智能超表面，了解它為什么是推動未來科技發展的關鍵力量。

智能超表面的基本原理

要理解智能超表面的神奇之處，首先需要了解什么是電磁波。電磁波是由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中衍生發射的振蕩粒子波，它是我們日常生活中無處不在的“信使”，手機信號、無線保真（wireless fidelity, Wi-Fi）、衛星電視等都離不開它。

你是否發現，家里的Wi-Fi信號常常時好時壞，到了電梯里、地下車庫甚至高樓拐角處，手機信號就會變弱。傳統上，我們使用天線來收發電磁波，但這種方式存在局限性，比如無線信號在傳播過程中會被建筑物、家具等阻擋，還會受到干擾。有沒有辦法讓信號像燈光一樣，能反射、轉彎，變得無處不在？

智能超表面的出現改變了這一局面。智能超表面是一種可以控制無線信號傳播方向的“智能墻”或“智能玻璃”。 它由大量微小的單元結構組成，每個單元都可以獨立控制，就像無數個微型天線[1,2]。通過精確控制這些單元，智能超表面就像一個“魔鏡”，可以根據需要改變電磁波的傳播方向、強度和相位。這種能力使得智能超表面在通信、傳感、成像等領域展現出巨大潛力。

與傳統天線相比，智能超表面具有輕薄、可重構、低成本等優勢。具體來說，①智能超表面主要由輕質的介質基板、銅箔等材料制成，其密度遠小于傳統天線所使用的金屬等材料；②智能超表面中電子元件的相位、幅度可調，能夠實現對每個反射單元的動態調控； ③智能超表面的制作材料相對廉價，制造工藝成熟、成本低，另外其功能集成度高，減少了硬件設備的數量，整體成本降低。智能超表面可以像壁紙一樣貼在墻上，或者集成到汽車表面，在不影響美觀的同時提升通信質量。這種特性使得智能超表面成為未來6G通信、物聯網等領域的核心技術之一[3]。

2018年，筆者與合作者提出智能反射面（又稱智能超表面）賦能的無線通信范式，受到學術界和工業界廣泛關注，獲得多項IEEE學術大獎，被華為、谷歌等公司及實驗室百余項專利引用。筆者還受邀制定多部6G白皮書，研究成果已達3.8萬余次引用量。2022 年，筆者因在智能反射面賦能 6G 通信領域做出的開拓性貢獻，榮獲 IEEE 通信學會亞太最杰出青年研究學者獎，該獎項是 2022 年度 IEEE通信學會亞太青年研究人員的最高榮譽。

智能超表面的核心技術

智能超表面的核心技術在于其精妙的結構設計和智能控制能力。其結構設計就像是一幅微觀世界的“藝術畫”，每個單元的形狀、大小和排列方式都經過精心計算，以實現對電磁波的精確操控。這些微小的結構通常只有幾毫米甚至更小，但卻能產生巨大的影響。

智能控制與重構能力是智能超表面的“大腦”。通過集成傳感器和人工智能（artificial intelligence, AI）算法，智能超表面能夠實時感知環境變化，并自動調整其性能。例如，在移動通信場景中，智能超表面可以追蹤用戶位置，動態優化信號覆蓋，提供無縫的連接體驗[4-6]。材料選擇與制造工藝也很關鍵。研究人員正在探索使用新型超材料、液晶、石墨烯等先進材料，以實現更高效、更靈活的電磁波調控；制造工藝方面，納米加工技術和3D打印技術的進步，使得大規模生產智能超表面成為可能。

智能超表面的應用場景

在通信領域，智能超表面正在為6G時代的到來鋪平道路。它可以解決信號盲區問題，提升網絡覆蓋質量。例如，在大型體育場館內，部署智能超表面可以確保每個角落都能享受到高速穩定的網絡連接。在衛星通信中，智能超表面可以用于制造更輕便、性能更高的天線，為偏遠地區提供可靠的通信服務。

智能超表面賦能虛擬現實/增強現實：現實與虛擬的“連接橋”

你有沒有體驗過VR游戲？戴上頭盔后，進入虛擬世界，但很快發現，畫面卡頓、延遲太高，甚至會頭暈惡心。這是因為VR需要超高速的無線傳輸，但目前的網絡環境往往跟不上。如果安裝了智能超表面，就可以讓無線信號更加穩定，減少延遲，讓你在元宇宙里自由遨游，不再被卡頓打斷。

在家中玩VR射擊游戲時，將智能超表面部署在客廳墻壁上，可確保信號覆蓋整個房間。當你快速移動或轉身時，智能超表面動態調整信號方向，避免因家具遮擋導致的信號中斷。你的每一個動作（如開槍或躲避）都能實時同步到游戲中，畫面穩定無抖動，沉浸感倍增。

在AR中，智能超表面能讓虛擬物體更加流暢地融入現實世界，比如在商場或博物館，AR導航可以更精準地引導人們找到目標位置，提供更好的用戶體驗。

想象你在商場佩戴AR眼鏡購物，當你走進某個角落時，傳統情況下信號可能因墻壁阻擋而減弱，導致眼鏡無法加載商品信息。當商場的天花板和墻壁上都裝有智能超表面時，其會將基站信號反射到你所在位置，確保AR眼鏡實時顯示商品的折扣、評價和3D模型等信息。你甚至可以通過手勢選擇虛擬試穿衣服，智能超表面保證數據傳輸無延遲，用戶體驗流暢。

智能超表面賦能無人駕駛：馬路上的“通信助手”

無人駕駛汽車依賴車用無線通信技術（vehicle to everything, V2X），與其他車輛、道路基礎設施及行人實時交換數據，確保安全導航和避障功能。在城市中，高樓、樹木等障礙物可能會阻擋信號，導致通信中斷。例如，在十字路口，信號阻擋可能使車輛無法及時感知對向來車，增加碰撞風險。

智能超表面可以安裝在路邊建筑、燈桿或交通設施上，充當“信號中繼站”。它通過反射和增強信號，幫助信號繞過障礙物，擴展覆蓋范圍。智能超表面還能根據車輛位置動態調整反射角度，確保信號始終聚焦于移動中的汽車，提供低延遲、高可靠性的通信鏈路[7]。

假設在一個繁忙的十字路口，兩輛無人駕駛汽車因高樓相隔無法直接通信。如果智能超表面安裝在路邊建筑的墻壁上，將一輛車的雷達和位置信號反射到另一輛車。兩車因此能夠“看見”彼此，從而及時調整速度和方向，避免潛在碰撞風險。在特殊天氣下，信號燈的光信號傳播能力有限，利用智能超表面增強的無線電波及車聯網系統，可以使車輛端實時感知信號燈的狀態，確保司機遵守交通規則。整個過程實時且無縫，智能超表面如同馬路上的“通信助手”。

智能超表面賦能衛星通信：偏遠、極地地區的“信號擺渡員”

衛星通信為偏遠山區、海上航行和航空飛行等提供互聯網連接。然而，在地形復雜的區域（如高山或森林），衛星信號可能被阻擋，導致覆蓋不完整。

例如，在某些偏遠山區的村莊，高山阻擋了衛星信號。如果將智能超表面安裝在山坡上的高點，衛星信號就可以反射到村莊廣場。村民的手機和電腦因此獲得穩定的網絡連接，可以在線學習、購物或與外界聯系。又如，智能超表面安裝在遠洋貨輪的甲板頂部，將衛星信號反射到船艙內部。船員可以實時與陸地進行視頻通話，船舶管理系統也能上傳航行數據，確保安全和高效。

智能超表面作為“信號反射板”，將衛星信號引導到遮擋區域。通過調整反射單元的角度，動態優化信號路徑，確保信號覆蓋目標區域。智能超表面還能增強信號強度，彌補長距離傳輸中的衰減。

此外，隨著低軌衛星互聯網的興起，智能超表面可以幫助地面用戶更有效地接收衛星信號、提高數據傳輸速率、減少延遲，從而推進全球互聯網覆蓋。①低軌衛星由于軌道高度較低，信號覆蓋范圍相對有限，智能超表面可擴大其覆蓋盲區；②低軌衛星與地面通信時，電磁波自由空間路徑損耗大，智能超表面可對傳輸信號進行反射和聚焦，提高傳輸效率；③低軌衛星由于運行速度快，用戶設備在使用衛星通信時，經常需要在不同的衛星信號之間進行切換，從而導致信號中斷，質量下降，智能超表面可以根據衛星的軌道信息和用戶設備的位置，提前調整反射單元的參數，使得在衛星信號切換時，能夠快速地將信號引導到新的衛星上，減少信號切換過程中的中斷時間，提高通信的連續性。

智能超表面還可以用于制造可重構的衛星天線，使衛星能夠根據不同任務需求調整其通信性能。在深空探測中，它有望用于開發更靈敏的探測儀器，幫助我們更好地了解宇宙的奧秘。

智能超表面賦能AI系統：AI的“數據加速器”

AI系統的高效運行依賴大量實時數據，以智能城市為例，傳感器、攝像頭和物聯網設備中的數據需要通過無線網絡快速傳輸到AI系統，用于交通流量預測或安全監控等。信號干擾或傳輸延遲可能導致分析滯后，影響決策效率。

智能超表面通過減少干擾和信號衰減、提升傳輸速率，來優化傳感器與AI系統之間的無線通信鏈路。它可以部署在城市基礎設施（如路燈、建筑）上，動態調整信號路徑，確保數據實時到達AI系統。

例如，智能城市中路口的監控攝像頭捕捉到交通擁堵的畫面。安裝在附近建筑上的智能超表面對攝像頭信號進行優化，再快速傳輸到AI交通管理系統。系統分析數據后，以降低總體擁擠程度為優化目標，立即調整紅綠燈時序，10秒內即可緩解擁堵。相比傳統網絡，智能超表面將傳輸延遲從500毫秒降至50毫秒，顯著提高了響應速度。

智能超表面賦能機器人：工廠里的“ 團隊協調員”、 生產線上的“信號管家”

在無人工廠等智能制造的場景中，智能超表面正在推動工業4.0的發展。它可以用于構建智能化的生產環境監測系統，實時感知工廠內的各種參數，優化生產流程。在產品質量檢測方面，智能超表面可以用于開發新型的無損檢測技術，提高檢測精度和效率。此外，智能超表面還可以用于構建工廠內部的智能通信網絡，實現設備間的無縫協作，提高整體生產效率。

在未來的智能工廠里將出現越來越多的機器人。機器人之間需要相互通信，接收指令，但在復雜的工業環境里，金屬墻壁和機器設備會對信號造成干擾。在無人工廠中，智能超表面能夠減少信號死角，確保機器人之間的信息傳輸更穩定，避免因信號丟失導致生產中斷，提高生產效率和產品質量；在全自動物流中心，裝在天花板上的智能超表面將信號傳給每個機器人，讓它們實時知道要搬哪個箱子、走哪條路；在現代化汽車制造工廠中，組裝零件的工業機器人利用智能超表面優化信號，彼此之間“聊得順暢”，車造得又快又好，生產線24小時不停。此外，集成智能超表面的傳感器使機器人具備更精確的環境感知能力，從而更好地理解和適應復雜的人類環境。

智能超表面賦能無人機：空中的“信號導航”、未來天空的“通信塔”

未來的低空經濟包括無人機送外賣、空中出租車等應用場景，這些都需要強大的無線信號支持。但城市里的高樓大廈可能會讓信號不穩定[8]。如果在大樓外墻、街道燈桿上部署智能超表面，無人機就能始終保持良好的信號連接，順利完成外賣投放。裝在樓頂的智能超表面把信號反射給空中出租車，確保導航準、通信穩。你坐在車里看風景的同時，也完全不用擔心會掉線。

智能超表面可以增強無人機的通信能力，使其能夠更精準地完成數據收集和信息傳輸，在災害救援和農業監測等領域發揮作用。智能超表面還可以用于開發更輕便、更高性能的無人機通信系統，延長無人機的飛行距離和控制范圍。此外，智能超表面可以用于構建低空通信網絡，為未來城市空中交通管理提供技術支持。

智能超表面的未來：

6G時代的“新明星”

6G離我們越來越近了，智能超表面將是它的“得力助手”。未來幾年，你可能會在家里、學校、街上看到智能超表面的身影。它不僅僅使得手機信號更暢通，還將與AI、物聯網這些技術搭檔，帶來更多驚喜。比如，智能家居之間的通信通常因室內人員的移動而中斷，而且隨著物聯網的發展，接入網絡的設備越來越多，不同設備之間的干擾也難以避免，通過智能超表面的智能調控算法，不僅可以增強各個智能家居之間的通信可靠性，還可以有效管控各個設備通信的時頻資源塊，進一步提高家居的智能性。

智能超表面的挑戰和展望

智能超表面技術前景廣闊，但也面臨現實挑戰：如何與現有網絡無縫兼容？怎樣優化算法讓它更智能？科學家正在攻關這些關鍵問題。不過毫無疑問，智能超表面的未來充滿光明。

在技術發展方面，研究人員正在探索更高頻段、更寬帶寬的智能超表面設計，以滿足未來6G通信和太赫茲應用的需求。同時，如何實現大規模、低成本的制造也是當前研究的重點。

在應用拓展方面，智能超表面有望在更多領域發揮作用。例如，在醫療領域，智能超表面可用于開發新型的醫學成像設備和治療儀器；在能源領域，智能超表面可用于提高太陽能電池的效率；在環境保護方面，智能超表面可用于開發更靈敏的環境監測傳感器。

產業化和標準化是智能超表面技術走向大規模應用的關鍵。目前，全球范圍內正在加快制定相關標準，以促進技術的規范化發展。同時，產業鏈的完善也將為智能超表面的商業化應用提供有力支撐。

智能超表面就像一個“信號魔法師”，能讓無線信號變得更聰明、更貼心，正在為未來科技發展打開新的大門。無論是元宇宙的沉浸體驗，還是無人駕駛的精準護航，或是工廠里機器人的協同工作，乃至探索太空，智能超表面都在默默發力。盡管其處于發展階段，但潛力已經顯而易見。

隨著技術的不斷進步和應用的深入，智能超表面必將成為推動社會進步、改善人類生活的重要力量。未來，我們可能會發現，這種神奇的“魔鏡”已深度滲透我們生活的各個維度，為我們帶來前所未有的便利和體驗。我們的世界或將變成一個“信號無處不在”的智能空間！

武慶慶：副教授，上海交通大學電子工程系，上海 200240。qingqingwu@sjtu.edu.cn

Wu Qingqing: Associate Professor, Department of Electronic Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240.

[1]Wu Q Q, Zhang R. Intelligent reflecting surface enhanced wireless network via joint active and passive beamforming. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2019,18(11): 5394 -5409.

[2]Wu Q Q, Zhang R. Towards smart and reconfigurable environment: Intelligent Reflecting Surface Aided Wireless Network. IEEE Communications Magazine, 2019, 58(1): 106-112.

[3]Wu Q Q, Zheng B X, You C S, et al. Intelligent surfaces empowered wireless network: Recent advances and the road to 6G. Proceedings of the IEEE, 2024,112（7）: 724-763.

[4]Basar E, Alexandropoulos G C, Liu Y W, et al. Reconfigurable intelligent surfaces for 6G: Emerging hardware architectures, applications, and open challenges. IEEE Vehicular Technology Magazine，2024,19(3): 27-47.

[5]馬紅兵, 張平, 楊帆, 等. 智能超表面技術展望與思考. 中興通訊技術, 2022, 28(3): 70-77.

[6]Mei W D, Zheng B X, You C S, et al. Intelligent reflecting surface-aided wireless networks: From single-reflection to multireflection design and optimization. Proceedings of the IEEE, 2022, 110(9): 1380-1400.

[7]Wu Q Q, Zhang S W, Zheng B X, et al. Intelligent reflecting surface-aided wireless communications: Atutorial. IEEE Transactions on Communications, 2021, 69(5): 3313-3351.

[8]Zeng Y, Wu Q Q, Zhang R. Accessing from the sky: A tutorial on UAV communications for 5G and beyond. Proceedings of the IEEE, 2019, 107(12): 2327-2375.

關鍵詞：智能超表面 6G通信 元宇宙 無人駕駛 衛星通信 人工智能■

本文刊載于2026年第78卷第1期《科學》雜志（P48-P52）

文章轉載自“科學雜志1915”公眾號