konstigare saker fans kommer att känna till den här scenen: Eleven, en tjej med telekinesiska krafter, stirrar intensivt på en colaburk. Utan att fysiskt röra burken krossar hon den fullständigt med bara sitt sinne.

Att förändra föremål med sinnet har länge varit en trope inom science fiction. Nu, tack vare metasytor, visade två studier bara att det är potentiellt möjligt.

Metamaterial är konstgjorda kompositer med bisarra optiska egenskaper. Ofta arrangerade i tandem kan de interagera med elektromagnetiska vågor - inklusive ljus - på sätt som är omöjliga för naturliga material. Detta ger dem en superkraft: de kan lätt anpassa sina egenskaper, (till exempel böja ljus på olika sätt) snarare än att förlita sig på egenskaperna hos materialen de är gjorda av.

Varför bry sig? Våra hjärnor genererar elektromagnetiska vågor när de bearbetar information. Beroende på hjärnans tillstånd - till exempel om den är "avslappnad" kontra "koncentrerad" - tar olika frekvenser av hjärnvågor över. Så varför inte använda hjärnan som en källa för att utlösa förändringar i metamaterial?

I första studien, publicerad i eLight, använde teamet en hjärnvågsextraktionsmodul som gjorde det möjligt för frivilliga att kontrollera en metayta – en 2D-version av metamaterial – enbart med sina sinnen. Hela systemet är trådlöst och förlitar sig på Bluetooth. De extraherade hjärnvågor från volontären när hon slappnade av eller koncentrerade sig, och genom en kontrollenhet förändrade de hur den länkade metaytan spred ljus. Inte lika dramatiskt som att böja en colaburk, visst – men en futuristisk demonstration av att använda sinnet för att kontrollera fysiskt material.

A andra studien tog idén lite längre. Olika metasytor kan "prata" med varandra baserat på elektromagnetiska egenskaper. Här kopplade teamet upp två personer till sina metasytor för att sms:a med deras sinnen. En frivillig var sändaren, den andre mottagaren. Genom att koncentrera sig ändrade sändarens hjärnvågor metaytans egenskaper för att koda olika binära meddelanden. Vid avkodning fick mottagaren texten – allt utan att lyfta ett enda finger.

För nu är den futuristiska tekniken fortfarande i sin linda. Men forskare föreställer sig att de en dag kommer att kunna använda metamaterial för en myriad av syften: övervaka uppmärksamhetsstatusen för en förare, till exempel, eller införliva dem i icke-invasiva hjärn-maskin-gränssnitt.

"Kombinerat med intelligenta algoritmer som maskininlärning kan de presenterade två verken ytterligare öppna upp en ny riktning för avancerade biointelligenta metasytsystem," sade Dr. Xiangang Luo vid Institutet för optik och elektronik, kinesiska vetenskapsakademin, som inte var involverad i någon av studierna.

Metasytornas konstigheter

Metasytor är som en feberdröm. Normalt förväntar vi oss att våra material uppför sig konsekvent: glasflaskor splittras under tryck; träsprickor; bomull är mjukt. Metamaterial förändrar detta paradigm. Består ofta av en sammanslagning av material—piezoelektriska material är en favorit – de ändrar lätt sina strukturella och ljusböjande egenskaper under inverkan av elektromagnetiska fält.

Detta har lett till preliminära osynlighetsmantlar, dynamisk kamouflering, superlinseroch 3D-printade millibotar som en dag kan ströva runt i din kropp för att på ett intelligent sätt leverera droger när det behövs.

Metasytor är metamaterials 2D-kusin. Här vävs de återkommande strukturerna i metamaterial till en arkliknande struktur, och bibehåller deras förmåga att kontrollera "nästan alla egenskaper hos elektromagnetiska vågor", säger Dr Shaobo Qu vid Air Force Engineering University i Kina, som ledde telekinesisförsöket. Programmerbara metasytor (PM) är ett steg upp genom att deras funktioner kan styras på ett förutsägbart sätt av yttre påverkan för att växla driftlägen – som en "smart" badrumsspegel med flera ljusinställningar beroende på ditt humör.

Normalt kommer elektromagnetiska vågor från en generator. Men våra hjärnor sprängs med olika frekvenser av dessa vågor, som tillsammans representerar elektriska signaler över stora regioner. Betavågor, till exempel, cyklar ungefär 15 till 40 gånger per sekund och är förknippade med ett engagerat sinne. Thetavågor, däremot, korrelerar med dagdrömmande - en sorts mental avslappning. Forskare har funnit att det är möjligt att kontrollera dina hjärnvågor och aktivt flytta dem från ett tillstånd till ett annat genom neurofeedback.

Hjärnvågor kan lätt plockas upp av ett lock av inbäddade elektroder. Detta fick teamet att undra: kan vi använda dessa signaler för att kontrollera metasytor?

I en studie föreslog Qu en enkel design med hjälp av en hjärnvågsextraktionsmodul. Den har tre delar: sensorn, styrenheten och ställdonet. Sensorn samlar hjärnvågor genom elektroder placerade på hårbotten. Här använde teamet en kommersiellt tillgänglig modul, ThinkGear AM, ett prisvärt chip populär bland DIY EEG brainwave-hacking community.

Inspelad data överförs sedan till styrenheten via Bluetooth. Styrenheten är också gjord av en lågkostnadskomponent, med Arduino som hjärta. Hjärnvågssignaler omvandlas till ett mått för uppmärksamhet och matas in i ställdonet. Beroende på personens uppmärksamhetsnivå, samlar ställdonet in data i fyra grupper och matar ut olika spänningar.

"De fyra tröskelintervallen motsvarar distraherad, neutral, koncentrerad respektive extremt koncentrerad uppmärksamhetsintensitet", förklarade teamet.

Hög- eller lågspänningen motsvarar en 1- eller 0-kodningssekvens. Dessa sekvenser mappar sedan till olika materialegenskaper för metaytan, vilket i sin tur styr hur den sprider ljus.

Slutresultatet? I ett proof of concept satt en volontär i en ekofri kammare - ett rum utformat för att blockera omgivande ljud eller elektromagnetiska vågor. Med torra elektroder på huvudet slöt hon ögonen när hon cyklade genom olika koncentrationstillstånd. Genom att mäta metaytans ljusspridande egenskaper fann teamet en stark överensstämmelse mellan hennes uppmärksamhetsintensitet och materialegenskaperna.

Studien visar inte att det är möjligt att fysiskt flytta material med ditt sinne. Men det visar att det är möjligt att fjärrstyra ett material baserat enbart på tanke. För nu är tekniken mestadels ett coolt bevis på bevis som banar väg för sinneskontrollerat material för hälsoövervakning eller smarta sensorer. En stor vägspärr är hur man hanterar externt elektromagnetiskt brus, som kan blockera neurala styrsignaler.

Kommunikation hjärna till hjärna

Telekinesis blåser mig redan. Men hur är det med telepati?

En separat studie använde metasytor som en slags telefon för att hjälpa två personer att skicka enkla meddelanden, allt utan att lyfta ett finger.

Direkt hjärna-till-hjärna-kommunikation är inte nytt. tidigare studier med hjälp av icke-invasiva inställningar fick deltagarna att spela 20 frågor med sina hjärnvågor. En annan studie byggde ett BrainNet för tre volontärer, så att de kunde spela ett Tetris-liknande spel med enbart hjärnvågor. Kanalen för dessa mindmelds förlitade sig på kablar och internet. En ny studie frågade om metasytor kan göra detsamma.

Ledd av Dr. Tie Jun Cui vid Institute of Electromagnetic Space, Southeast University i Kina, länkade studien en välkänd hjärnvågssignal, P300, till egenskaperna hos en metayta. Deras inställning, elektromagnetisk hjärna-dator-metasyta (EBCM), använde hjärnvågor för att styra en viss typ av metayta—informationsmetayta, som kan koda 0:or och 1:or som ett elektroniskt kretskort.

Experimentet hade två frivilliga: en sändare och en mottagare. Sändaren fick sina hjärnvågor övervakade med EEG, med särskilt fokus på P300-signalen. Signalerna avkodades sedan till binär kod, som sedan användes för att styra sändarens metasytegenskaper. Dessa ändringar ändrade sedan trådlöst mottagarens metayta, som sedan avkodades och översattes tillbaka till textinformation för mottagaren att läsa.

Installationen överförde fyra textsekvenser framgångsrikt: "hej världen", "Hej, Sue", "Hi, Scut" och "BCI metasurface." Det är en långsam process, i genomsnitt cirka fem sekunder för varje karaktär, men kan förbättras med några "snabbstavningsparadigm", sa teamet.

Vi är fortfarande långt ifrån telekines och telepati. Men de där superkrafterna kanske inte är så långsökta som man en gång trodde. För närvarande är teamen ivriga att ta till sig sina inställningar för att förbättra hälsan.

"Vårt arbete kan ytterligare öppna upp en ny riktning för att utforska den djupa integrationen av metasytor, mänsklig hjärnans intelligens och artificiell intelligens, för att bygga upp nya generationer av biointelligenta metasytor", sa Cui.

Image Credit: Gerd Altmann / Pixabay