系统位:5月6日

用半导体激光器传输数据
哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院的研究人员说演示激光它可以无线发射微波，对其进行调制，并接收外部射频信号。

“这项研究为新型混合电子-光子设备打开了大门，是迈向超高速Wi-Fi的第一步，”费德里科·卡帕索(Federico Capasso)说，他是罗伯特·l·华莱士应用物理学教授和Vinton Hayes电气工程高级研究员，也是该研究的高级作者。

这项研究建立在卡帕索实验室之前工作的基础上。2017年，研究人员发现量子级联激光器中的红外频率梳可用于产生太赫兹频率，这是电磁频谱的亚毫米波长，可以比今天的无线传输数据快数百倍。2018年，该团队发现量子级联激光频率梳也可以作为集成发射器或接收器，有效地编码信息。

现在，研究人员已经找到了一种从激光频率梳中提取和传输无线信号的方法。

与发射单频光的传统激光器不同，激光频率梳同时发射多个频率，均匀分布，类似于梳子的齿。2018年，研究人员发现，在激光器内部，不同频率的光一起跳动产生微波辐射。激光腔内的光导致电子以微波频率振荡——这在通信频谱内。

该论文的第一作者、SEAS的博士后Marco Piccardo说:“如果你想将这种设备用于Wi-Fi，你需要能够将有用的信息放入微波信号中，并从设备中提取这些信息。”

这种新设备要传输微波信号首先需要一个天线。因此，研究人员在设备的顶部电极上蚀刻了一个缺口，创建了一个偶极天线(就像旧电视顶部的兔子耳朵)。接下来，他们对频率梳进行调制，对梳的跳动光产生的微波辐射进行编码。然后，使用天线，微波从设备辐射出去，包含编码信息。无线电信号由喇叭天线接收，经过滤波后发送到计算机。

研究人员还证明激光收音机可以接收信号。该团队能够利用来自另一个设备的微波信号远程控制激光的行为。

皮卡尔多说:“这种一体化设备对无线通信有很大的希望。”“虽然太赫兹无线通信的梦想还有很长的路要走，但这项研究提供了一个明确的路线图，展示了如何实现这一目标。”

电池类设备中的类脑计算
半导体行业对神经形态计算领域非常感兴趣，导致了旨在模拟人脑运作方式的系统级实现。

斯坦福大学和桑迪亚国家实验室的研究人员此前开发了这种计算机的一部分:一种充当人工突触模仿大脑中神经元交流的方式。

在4月25日《科学》(Science)杂志在线发表的一篇论文中，该团队报告称，其中9个设备的原型阵列在处理速度、能源效率、可重复性和耐用性方面表现得比预期的要好。

展望未来，团队成员希望将他们的人工突触与传统电子设备结合起来，他们希望这能成为支持小型设备上的人工智能学习的一步。

“如果你有一个记忆系统，可以以我们展示的能源效率和速度学习，那么你可以把它放在智能手机或笔记本电脑上，”该论文的合著者斯科特·基恩(Scott Keane)说，他是斯坦福大学材料科学与工程教授阿尔贝托·萨里奥(Alberto Salleo)实验室的研究生，他是联合资深作者。“这将使我们能够在不依赖数据传输的情况下，在自己的设备上训练自己的网络并在本地解决问题。”

该团队的人造突触类似于电池，经过修改后，研究人员可以上下调节两个终端之间的电流。这种电流模拟了学习在大脑中的连接方式。这是一种特别有效的设计，因为数据处理和内存存储发生在一个动作中，而不是更传统的计算机系统，数据先处理，然后再移动到存储。

观察这些设备在阵列中的表现是至关重要的一步，因为它允许研究人员同时对几个人工突触进行编程。这比一个接一个地给每个突触编程要省时得多，而且与大脑的实际工作方式相当。

在之前对该设备早期版本的测试中，研究人员发现，它们的处理和记忆操作所需的能量大约是最先进的计算系统执行特定任务所需能量的十分之一。尽管如此，研究人员还是担心，所有这些设备在更大的阵列中一起工作，可能会有消耗过多电力的风险。因此，他们对每个设备进行了重组，以减少电流的传导——使它们成为更糟糕的电池，但使阵列更加节能。

3 × 3阵列依赖于第二种类型的设备——由麻省大学阿默斯特分校的约书亚·杨(Joshua Yang)开发，他是这篇论文的合著者——充当阵列内编程突触的开关。

在测试过程中，该阵列的表现超出了研究人员的预期。它的运行速度如此之快，以至于该团队预测，这些设备的下一个版本将需要用特殊的高速电子设备进行测试。在测量了3 × 3阵列的高能效后，研究人员对一个更大的1024 × 1024突触阵列进行了计算机模拟，并估计它可以由目前智能手机或小型无人机使用的相同电池供电。研究人员还能够切换设备超过10亿次——这是它速度的另一个证明——而没有看到它的行为有任何退化。

“事实证明，如果你对聚合物器件处理得当，它们可以像传统的硅器件一样有弹性。从我的角度来看，这可能是最令人惊讶的方面。”“对我来说，它改变了我对这些聚合物设备可靠性的看法，以及我们可能如何使用它们。”

用雷达监测生命体征
滑铁卢大学报告了它的发展雷达系统能够无线监测患者的生命体征。

这项新技术安装在一个比手机还小的设备中，利用敏感的雷达波记录心率和呼吸频率，并通过内置在机载数字信号处理单元中的复杂算法进行分析。

研究人员开发了该系统，通过检测细微的胸部运动来监测睡眠呼吸暂停患者，而不是通过大量笨重的电线将他们连接到实验室的设备上。

滑铁卢大学的工程学教授乔治·沙克尔(George Shaker)说:“我们把整个复杂的过程完全无线化。”“不用去诊所，你可以在自己舒适的床上进行，每天进行连续监测。”

在这项研究中，雷达装置被安装在50多名志愿者床上方的天花板上，当时他们在一个长期护理公寓模型中正常睡眠。

该系统收集并分析从患者身体反射回设备的雷达波数据，其结果比标准硬线设备的准确度高出90%以上。

领导这项研究的研究员穆斯塔法·阿里扎德(Mostafa Alizadeh)说:“这是雷达首次在如此不受控制的环境下，以如此高的精度用于心脏感知。”“我们的研究对象以任何姿势都可以不受干扰地睡觉，长达8个小时。”

研究人员还在探索使用该技术来监测长期护理院居民的活动水平和跌倒情况，并在医院中对各种患者的心脏和呼吸频率进行常规监测。

呼吸暂停监测系统的优点包括完全的隐私性，因为没有使用摄像头，大大提高了舒适度，并且可能用于家庭而不是专门的睡眠诊所。

Shaker是电气和计算机工程、机械和机电工程交叉任命的教授，他说:“传统的系统包括电线和提前几周预约，你不能像平常一样在家里的床上睡觉，这使得普通的睡眠研究成为一种不愉快的经历。”

除了睡眠呼吸暂停症(呼吸反复停止和启动)，该系统还可以监测周期性肢体运动障碍、不宁腿综合征和癫痫发作等情况。

Alizadeh和Shaker与滑铁卢大学教授Plinio Pelegrini Morita和Safeddin Safavi-Naeini以及巴西坎皮纳斯大学教授Joao Carlos Martins de Almeida合作。