Stranger Things fans zullen deze scène wel kennen: Elf, een meisje met telekinetische krachten, staart aandachtig naar een colablikje. Zonder het blik fysiek aan te raken, verplettert ze het volledig met alleen haar geest.

Het veranderen van objecten met de geest is al lang een stijlfiguur in sciencefiction. Nu, dankzij metasurfaces, hebben twee onderzoeken zojuist aangetoond dat het potentieel mogelijk is.

Metamaterialen zijn kunstmatige composieten met bizarre optische eigenschappen. Ze zijn vaak in tandem gerangschikt en kunnen interageren met elektromagnetische golven, inclusief zichtbaar licht, op manieren die onmogelijk zijn voor natuurlijke materialen. Dit geeft ze een superkracht: ze kunnen hun eigenschappen gemakkelijk aanpassen - bijvoorbeeld door licht op verschillende manieren te buigen - in plaats van te vertrouwen op de eigenschappen van de materialen waarvan ze zijn gemaakt.

Waarom zorg? Onze hersenen genereren elektromagnetische golven terwijl ze informatie verwerken. Afhankelijk van de toestand van de hersenen, bijvoorbeeld of ze 'ontspannen' of 'concentrerend' zijn, nemen verschillende frequenties van hersengolven het over. Dus waarom de hersenen niet gebruiken als bron om veranderingen in metamaterialen teweeg te brengen?

In het eerste studie, gepubliceerd in eLicht, gebruikte het team een ​​hersengolf-extractiemodule waarmee vrijwilligers een meta-oppervlak - een 2D-versie van metamaterialen - alleen met hun geest konden besturen. Het hele systeem is draadloos en vertrouwt op Bluetooth. Ze haalden hersengolven uit de vrijwilliger terwijl ze zich ontspande of concentreerde, en veranderden via een controller hoe het gekoppelde meta-oppervlak licht verspreidde. Niet zo dramatisch als het buigen van een cola, zeker, maar een futuristische demonstratie van het gebruik van de geest om fysiek materiaal te beheersen.

A tweede studie nam het idee een beetje verder. Verschillende meta-oppervlakken kunnen met elkaar "praten" op basis van elektromagnetische eigenschappen. Hier heeft het team twee mensen aangesloten op meta-oppervlakken om met hun geest te sms'en. De ene vrijwilliger was de zender, de andere de ontvanger. Door zich te concentreren, veranderden de hersengolven van de zender de eigenschappen van het metaoppervlak om verschillende binaire berichten te coderen. Na het decoderen kreeg de ontvanger de tekst - allemaal zonder een enkele vinger uit te steken.

Voorlopig staat de futuristische technologie nog in de kinderschoenen. Maar wetenschappers denken dat ze op een dag metamaterialen voor talloze doeleinden kunnen gebruiken: bijvoorbeeld de aandachtsstatus van een bestuurder controleren of ze opnemen in niet-invasieve hersen-machine-interfaces.

"Gecombineerd met intelligente algoritmen zoals machine learning, kunnen de gepresenteerde twee werken een nieuwe richting openen voor geavanceerde bio-intelligente metasurface-systemen", zei Dr. Xiangang Luo van het Instituut voor Optica en Elektronica, Chinese Academie van Wetenschappen, die bij geen van beide studies betrokken was.

De raarheid van meta-oppervlakken

Meta-oppervlakken zijn als een koortsdroom. Normaal gesproken verwachten we dat onze materialen zich consistent gedragen: glazen flessen breken onder druk; hout scheuren; katoen is zacht. Metamaterialen veranderen dit paradigma. Vaak samengesteld uit een samensmelting van materialenpiëzo-elektrische materialen zijn favoriet - ze veranderen gemakkelijk hun structurele en lichtbuigende eigenschappen onder invloed van elektromagnetische velden.

Dit heeft geleid tot voorlopige onzichtbaarheidsmantels, dynamische camouflage, superlenzen en 3D-geprinte millibots die op een dag door je lichaam zou kunnen dwalen om op intelligente wijze medicijnen af ​​te leveren wanneer dat nodig is.

Metasurfaces zijn de 2D-neef van metamaterialen. Hier verweven de zich herhalende structuren in metamaterialen zich tot een plaatachtige structuur, waardoor ze "vrijwel alle kenmerken van elektromagnetische golven" kunnen beheersen, zei Dr. Shaobo Qu van de Air Force Engineering University in China, die het telekinese-onderzoek leidde. Programmeerbare metasurfaces (PM's) zijn een stap voorwaarts, in die zin dat hun functies op een voorspelbare manier kunnen worden bestuurd door invloeden van buitenaf om van bedrijfsmodus te wisselen - zoals een "slimme" badkamerspiegel met verschillende lichtinstellingen, afhankelijk van uw stemming.

Normaal gesproken komen elektromagnetische golven van een generator. Maar onze hersenen barsten van de verschillende frequenties van deze golven, die samen elektrische signalen over grote regio's vertegenwoordigen. Bètagolven, bijvoorbeeld, fietsen ongeveer 15 tot 40 keer per seconde en worden geassocieerd met een geëngageerde geest. Theta-golven daarentegen correleren met dagdromen - een soort mentale ontspanning. Wetenschappers hebben ontdekt dat het mogelijk is om je hersengolven te controleren en ze actief van de ene toestand naar de andere te verplaatsen door middel van neurofeedback.

Hersengolven kunnen gemakkelijk worden opgepikt door een kap van ingebedde elektroden. Dit bracht het team ertoe zich af te vragen: kunnen we deze signalen gebruiken om meta-oppervlakken te controleren?

In één onderzoek stelde Qu een eenvoudig ontwerp voor met behulp van een hersengolfextractiemodule. Het bestaat uit drie delen: de sensor, controller en actuator. De sensor verzamelt hersengolven door middel van elektroden die op de hoofdhuid zijn geplaatst. Hier gebruikte het team een ​​in de handel verkrijgbare module, ThinkGear AM, een betaalbare chip populair bij de doe-het-zelf-EEG-brainwave-hacking-gemeenschap.

Opgenomen gegevens worden vervolgens via Bluetooth naar de controller verzonden. De controller is ook gemaakt van een goedkope component, met Arduino als kern. Hersengolfsignalen worden omgezet in een maat voor aandacht en ingevoerd in de actuator. Afhankelijk van het aandachtsniveau van de persoon, verdeelt de actuator de gegevens in vier groepen en voert verschillende spanningen uit.

"De vier drempelintervallen komen overeen met respectievelijk afgeleid, neutraal, geconcentreerd en extreem geconcentreerde aandachtsintensiteit", legt het team uit.

De hoge of lage spanning komt overeen met een coderingsreeks van 1 of 0. Deze sequenties worden vervolgens toegewezen aan verschillende materiaaleigenschappen voor het meta-oppervlak, dat op zijn beurt bepaalt hoe het licht verstrooit.

Het eindresultaat? In een proof of concept zat een vrijwilliger in een echovrije kamer - een kamer die was ontworpen om omgevingsgeluid of elektromagnetische golven te blokkeren. Met droge elektroden op haar hoofd sloot ze haar ogen terwijl ze door verschillende concentratietoestanden fietste. Door de lichtverstrooiende eigenschappen van het meta-oppervlak te meten, vond het team een ​​sterke overeenkomst tussen haar aandachtsintensiteit en de materiaaleigenschappen.

Het onderzoek laat niet zien dat het mogelijk is om materialen fysiek te verplaatsen met je geest. Maar het laat wel zien dat het mogelijk is om op afstand een materiaal te besturen op basis van alleen denken. Voorlopig is de technologie vooral een cool bewijs van bewijs dat de weg vrijmaakt voor mind-controled materialen voor gezondheidsmonitoring of slimme sensoren. Een belangrijke wegversperring is hoe om te gaan met elektromagnetische ruis van buitenaf, die neurale controlesignalen zou kunnen afsluiten.

Brain-to-brain communicatie

Telekinese verbaast me nu al. Maar hoe zit het met telepathie?

Een afzonderlijke studie gebruikte metasurfaces als een soort telefoon om twee mensen te helpen eenvoudige berichten te sms'en, allemaal zonder een vinger uit te steken.

Directe brain-to-brain communicatie is niet nieuw. Vorige studies met behulp van niet-invasieve opstellingen speelden deelnemers 20 vragen met hun hersengolven. Een andere studie bouwde een BrainNet voor drie vrijwilligers, waardoor ze een Tetris-achtig spel konden spelen met alleen hersengolven. Het kanaal voor die mindmelds vertrouwde op kabels en internet. Een nieuwe studie vroeg of metasurfaces hetzelfde konden doen.

Onder leiding van Dr. Tie Jun Cui van het Institute of Electromagnetic Space, Southeast University in China, koppelde de studie een bekend hersengolfsignaal, P300, naar de eigenschappen van een meta-oppervlak. Hun opstelling, elektromagnetische brain-computer-metasurface (EBCM), gebruikte hersengolven om een ​​bepaald type metasurface te besturen dat bekend staat als een informatie meta-oppervlak, die nullen en enen kan coderen zoals een elektronische printplaat.

Het experiment had twee vrijwilligers: een zender en een ontvanger. De zender liet zijn hersengolven volgen met EEG, met een specifieke focus op het P300-signaal. De signalen werden vervolgens gedecodeerd in binaire code, die vervolgens werd gebruikt om de metasurface-eigenschappen van de zender te regelen. Deze veranderingen veranderden draadloos het meta-oppervlak van de ontvanger, dat vervolgens werd gedecodeerd en terug vertaald in tekstinformatie zodat de ontvanger het kon lezen.

De setup heeft met succes vier tekstreeksen verzonden: "hello world", "Hi, Sue", "Hi, Scut" en "BCI metasurface". Het is een langzaam proces, gemiddeld ongeveer vijf seconden voor elk personage, maar kan worden verbeterd met enkele "snelle spellingsparadigma's", zei het team.

We zijn nog ver verwijderd van op technologie gebaseerde telekinese en telepathie. Maar die superkrachten zijn misschien niet zo vergezocht als ooit werd gedacht. Voor nu staan ​​de teams te popelen om hun opstellingen over te nemen om de gezondheid te verbeteren.

"Ons werk kan een nieuwe richting openen om de diepe integratie van metasurface, menselijke hersenintelligentie en kunstmatige intelligentie te onderzoeken, om zo nieuwe generaties bio-intelligente metasurface-systemen op te bouwen," zei Cui.

Krediet van het beeld: Gerd Altmann / Pixabay