能加密的脑机接口，
意念控制从此不怕被“窃听”
brain–computer interface
前言：
脑机接口（BCI）作为人机交互领域的前沿技术，打破了人体与外部设备的物理接触限制，在脑控输入、医疗康复、设备控制等场景中展现出巨大应用潜力。
时空编码（STC）超表面作为一种可灵活调控电磁波的新型人工电磁材料，具备在时间和空间维度处理数字信息的卓越能力，为解决 BCI 技术痛点提供了创新思路。本次调研聚焦于发表在《nature communications》上的《Secure wireless communication of brain–computer interface and mind control of smart devices enabled by space-time-coding metasurface》一文，系统分析该研究的技术方案、创新点与应用价值。
01
技术困境：BCI面临安全与
集成双重挑战
随着 6G 无线通信技术的发展，BCI 的应用场景进一步拓展，但现有技术面临两大核心瓶颈：
一是信号传输安全性问题。无线脑电信号在传输过程中极易被截获和攻击，可能导致隐私泄露甚至控制指令被篡改。
二是现有系统的视觉刺激模块与后端信息处理模块相互孤立，缺乏深度融合，难以在复杂无线环境中提供可靠的交互体验。
这些局限阻碍了BCI技术在更广泛场景中的应用，尤其是在需要高安全性和可靠性的医疗、军事及个人隐私保护等领域。
02
系统方案：SSVEP与STC
信号的融合设计
研究人员发现，稳态视觉诱发电位（SSVEP）与时空编码（STC）超表面的特性存在天然的契合点，可以巧妙结合，从而突破传统BCI的局限。
稳态视觉诱发电位（SSVEP）是一种特定频率的视觉刺激引起的大脑电位反应。研究人员将4-50Hz的视觉闪烁刺激与高频率STC信号时序同步（视觉刺激用于产生脑电，STC用于无线调制与物理层信道构造），STC信号嵌入视觉刺激的高电平区间，形成兼具视觉诱导与电磁波调控功能的融合信号（BSTCM 信号）。集成的视觉刺激和电磁波调制BSTCM的平台包含 STC 超表面和 BCI 设备，用户注视不同频率 LED 时产生的脑电信号经采集分类后，驱动超表面生成对应的融合信号。
这一创新设计实现了脑电信息产生与传输的一体化，在硬件层面提高了刺激模块与无线调制模块的同步性。
03
系统构建：STC 超表面设计
与实现
系统的核心是一块32×32单元组成的超表面，分为4个独立的16×16分区。每个分区集成了PIN二极管控制单元与LED视觉刺激器，可在6.9GHz频段实现精确的相位调控。每个分区的LED分别以7Hz、8.5Hz、10Hz和11.5Hz的频率闪烁，用以诱导不同模式的SSVEP信号。
这种设计使得一块超表面能同时提供4种不同的视觉刺激频率，对应不同的控制指令，大大提高了系统的指令容量。
04
智能识别：SSVEP 信号
识别算法
识别用户注视不同频率LED时产生的脑电信号是整个系统的关键环节。研究人员开发了一套基于深度学习的信号识别算法。
信号首先经过4个切比雪夫Ⅰ型带通滤波器组成的滤波器组处理，分离不同子带，接着通过快速傅里叶变换提取幅度谱，加权求和强化低频分量贡献，增强特征可辨性。随后，信号幅度谱与预计算参考谱进行外积运算，生成特征图，采用轻量级卷积神经网络，包含4个卷积层、2个线性层及残差连接，对特征图进行分类。
这一深度学习模型在验证集上的分类准确率达到了96.67%，精确率与召回率均超过90%，为脑电指令的可靠识别提供了坚实保障。
05
安全通信：物理层与密码学的
双重防护
在解决BCI安全性问题上，研究人员采用了物理层安全与密码学加密相结合的方法。系统基于异或加密算法，将目标信息加密为两个视觉共享密钥。这两个密钥通过±1次谐波对应的独立物理信道传输至合法用户，必须同时获得双密钥才能通过异或运算解密信息。
实验数据显示，在论文给定的实验场景下，合法用户接收信噪比可达22dB，而窃听者的信噪比低于5dB，误码率接近50%，安全容量的计算约为1.9dB，有效降低被动窃听与部分主动攻击的成功率（在该物理层模型下）。
06
应用场景：从意念控制到
加密传输
在微波暗室中的加密通信测试中，系统成功传输了5×5像素的秘密图像"H"，验证了其加密通信能力。
在远场环境下，研究人员实现了4个智能设备的意念远程控制。用户注视不同分区的LED，产生的脑电信号被分类转化为控制指令，驱动超表面生成特定谐波波束。这些波束携带的射频能量被接收，接收端通过能量探测器把不同谐波对应的射频能量转换为电压特征，MCU据此判决并执行控制，最终触发微控制器操作智能设备，如开关LED模块。
测试表明，即使在300厘米的距离上，射频能量探测器也能稳定转换直流电压驱动设备，验证了脑控交互的可行性与稳定性。
总结：
实验数据显示，窃听者误码率接近50%，这意味着他们几乎无法从系统中获取有效信息，而合法用户却能够以96.67%的准确率通过意念控制远处的设备。
这项技术不仅为残疾人辅助生活、医疗康复提供了新的解决方案，更为未来6G通信中的人机交互打开了全新想象空间。脑时空编码超表面平台的紧凑设计、实时双向交互能力与高安全性特征，为人机融合提供了新的系统路径。
END
撰写人：尹子悦 戎泽 张忠伟 王伟旭
师苏美 黄靖雅
审核人：马磊
