給我一點(diǎn)超材料 還你一件隱身衣

作者：畢亞峰（中國科學(xué)院聲學(xué)研究所噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

文章來源于科學(xué)大院公眾號（ID：kexuedayuan）

“大爺穿上國產(chǎn)隱身衣，憑空消失！”前段時(shí)間，這個(gè)視頻在網(wǎng)上超火的~

不過！如果大家認(rèn)為披上一件薄薄的外套，就能讓整個(gè)人變得透明，甚至消失得無影無蹤，那么不好意思讓你失望了，我們的材料科學(xué)目前還沒發(fā)展到這個(gè)階段。所以“網(wǎng)紅”隱身衣之類的“神器”，都是移花接木的電影特效，電影特效，電影特效！

雖然“網(wǎng)紅”隱身衣是假的，但“隱身”可是切切實(shí)實(shí)存在的科技！

金魚為什么消失？

浙江大學(xué)陳紅勝教授課題組在水缸里放了個(gè)六邊形的隱身塊（下圖左），它藍(lán)白相間，中心有一個(gè)小孔，當(dāng)金魚游進(jìn)小孔后，相機(jī)只能拍到隱身塊后方的水草，而金魚卻從畫面中消失了（下圖右）。

左：水缸里的隱身塊；右：相機(jī)拍攝畫面

這是一項(xiàng)很有意思的研究?。V大男同胞們可以用它來藏私房錢（嘿嘿）。

我們不禁想問，這樣的隱身技術(shù)是什么原理呢？？？

這還得從人為什么能看到魚說起。

光線照在魚身上后，會(huì)產(chǎn)生各種各樣的散射，這些散射波傳到我們的眼睛，就形成了我們所看見的小魚的模樣。既然如此，如果我們能控制光線從小魚身邊繞過去，那么就沒有光的散射，小魚也就會(huì)“看起來”消失不見！

隱身原理示意圖

問題又來了，水缸里的隱身塊是怎么實(shí)現(xiàn)隱身效果的呢？

下圖是光線在水缸里的傳播路徑，其中紅色的線代表水草方向傳來的光波，光線在傳播過程中繞開了中間的小孔區(qū)域（即隱身區(qū)域），傳到右側(cè)的相機(jī)中。中間的小孔并不會(huì)遮擋水草散射出來的光線，所以我們?nèi)匀荒軌蚩吹诫[身衣后方的水草；由于光波繞過了藏匿在小孔中的金魚，所以金魚就消失不見了。

水缸隱身塊原理示意圖

隱身技術(shù)的關(guān)鍵——操控波的傳播

眾所周知，光波是一種電磁波，它在空氣中衰減很小，傳播很遠(yuǎn)后仍然可以被檢測到，所以我們看得見遠(yuǎn)方的物體；在海水中光波則衰減很大，傳播一小段距離后就微弱到可以忽略不計(jì)，所以深海之中一片漆黑。據(jù)此，我們往往使用聲波代替電磁波來探測水下目標(biāo)。

聲波探測的道理與光波相同，聲納發(fā)出的聲波遇到目標(biāo)后也會(huì)產(chǎn)生散射，此時(shí)聲納接收到散射波信號，就發(fā)現(xiàn)了目標(biāo)物體（下圖）。

單個(gè)聲納進(jìn)行探測

以往人們通過吸收聲波來躲避聲納的探測，將探測發(fā)出的聲波能量盡可能地“吃掉”，散射回波就會(huì)大幅減小。在單個(gè)收發(fā)合置的聲納（既負(fù)責(zé)發(fā)射探測聲波，又負(fù)責(zé)接收散射回波）探測的情景中，這種方法是有效的，沒有散射回波，探測聲納就認(rèn)為沒有物體存在。

但是，如果海洋中到處都布滿了聲納，聲納之間互相接收信號，此時(shí)繼續(xù)使吸收聲波，會(huì)造成原本應(yīng)該存在的探測信號突然消失，就好比在你的眼睛和燈光之間放上一塊吸光的黑布，出現(xiàn)明顯的遮擋，這塊布就露餡了。就如下圖的情況，當(dāng)目標(biāo)物出現(xiàn)時(shí)，雖然左側(cè)的聲納沒有收到回波，顯示正常，但右側(cè)的聲納卻會(huì)發(fā)現(xiàn)，咦？怎么聲波被擋住啦？馬上發(fā)出警告！

多個(gè)聲納進(jìn)行探測

這時(shí)，你需要新型的隱身衣！從一側(cè)聲納發(fā)出的聲波，經(jīng)過隱身衣繞過目標(biāo)，傳到另一側(cè)的聲納，在眾多聲納眼中，目標(biāo)物體就像前文的金魚一樣消失了，既沒有回波，也沒有遮擋，布放再多的聲納也無濟(jì)于事。

使目標(biāo)透明的隱身衣：覆蓋隱身衣后的目標(biāo)基本沒有散射回波，而且不存在聲波的陰影區(qū)，仿佛從聲場中“隱身”。

那么如何實(shí)現(xiàn)聲波的操控并做出隱身衣呢？

超材料怎么變隱身魔法？

如何實(shí)現(xiàn)聲波的操控？這是眾多科學(xué)家前赴后繼研究的問題。

聲波的傳播需要介質(zhì)，而介質(zhì)直接決定了聲波的傳播速度、折射方向等特性。于是，聲波的傳播介質(zhì)成為了科學(xué)家的關(guān)注點(diǎn)。隨著人們對聲學(xué)、力學(xué)的認(rèn)識(shí)逐步加深，一種叫做超材料的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)/材料進(jìn)入科學(xué)家的視線。

什么是超材料？

當(dāng)我們把介質(zhì)里很微小的人工結(jié)構(gòu)（遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長）進(jìn)行有序排列后，就可以改變介質(zhì)的宏觀性質(zhì)。這些經(jīng)過人工排序的微結(jié)構(gòu)組成的介質(zhì)，就叫做超材料。

知識(shí)點(diǎn)

為什么微結(jié)構(gòu)可以改變宏觀性質(zhì)？

因?yàn)槲⒔Y(jié)構(gòu)們太小啦！聲波并不能識(shí)別出它們，只能從整體上感受出介質(zhì)的特性。因此，利用這些細(xì)微結(jié)構(gòu)就可以制作相應(yīng)的器件，實(shí)現(xiàn)對聲波的操控。這就跟畫畫一樣，肉眼并不能辨別出顏料中的分子（細(xì)微結(jié)構(gòu)），只能看到顏料整體顯示出的顏色（宏觀性質(zhì)），如果我們將這些顏料合理布局，就能畫出一幅美妙的作品。

基于這種理論，具有“隱身”功能的新型聲學(xué)器件開始出現(xiàn)。

比如聲波偏轉(zhuǎn)器：將一系列特定的微結(jié)構(gòu)排列成扇形（圖中的黑線），可以獲得改變聲波傳播方向的超能力。當(dāng)聲波從左向右發(fā)射進(jìn)入扇形結(jié)構(gòu)后，前進(jìn)方向會(huì)逐漸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最終轉(zhuǎn)向90o，變成了向上傳播。

超材料控制下，聲波會(huì)偏轉(zhuǎn)90°

這里的微結(jié)構(gòu)是什么？細(xì)細(xì)觀察圖中的一小段黑線，可以看到，微結(jié)構(gòu)是一系列從左往右逐漸變大的小孔。聲波穿過這些小孔時(shí)，孔小的地方聲速要慢一些，孔大的地方聲速要快一些。就像一排小朋友在操場跑步，過彎道的時(shí)候，外面的人要跑快點(diǎn)，里面的人可以跑慢些，那么大家就能整齊劃一地保持同步轉(zhuǎn)彎。轉(zhuǎn)過90度后，聲波跑出了偏轉(zhuǎn)器，大家又以相同的速度朝前跑啦。

聲波偏轉(zhuǎn)器的內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)

利用超材料控制聲波的傳播方向，我們就可以人為控制聲波散射，比如把聲波引到一些本不該有聲波的地方，也可以反過來，把原本到處都是聲波的地方擦得干干凈凈。

超材料就像一支畫筆，賦予了我們修改“聲場”這塊畫布的能力。涂涂抹抹，可以把一條金魚變得透明；修修改改，似乎還能把金魚畫成海底；再縫縫補(bǔ)補(bǔ)，好像還能把金魚變鯨魚。

是的，你沒看錯(cuò)，金魚在聲納眼中長什么樣，只與它對聲波的散射有關(guān)。

現(xiàn)在可以大變金魚魔術(shù)啦！??！你以為前方是空無一物的水域，其實(shí)隱身衣中藏著金魚。你以為這里是浮著水草的海底，其實(shí)隱身毯下也躲著金魚。你以為這是一條大鯨魚，其實(shí)幻象之下，它還是一條小金魚。

隱身神器功能大比拼

利用超材料，我國的科學(xué)家們已經(jīng)做出了不少隱身神器！

1

隱身毯

中科院聲學(xué)所的楊軍研究員團(tuán)隊(duì)就做出了一種“魔術(shù)”隱身毯。研究人員使用超材料修改了目標(biāo)的散射波，讓它擬態(tài)變成了海底，率先在水下實(shí)現(xiàn)了物體的聲學(xué)隱身。

不明覺厲？我們還是直接看圖說話吧。

水下隱身毯模型

隱身毯由一層一層互相分隔的黃銅板組成，毯下有一個(gè)梯形的小空間，需要隱藏的目標(biāo)物體就放在這個(gè)區(qū)域。覆蓋在目標(biāo)物體上的隱身毯，可以對周圍的聲波進(jìn)行引導(dǎo)，使原本凸起的目標(biāo)物體顯示出平面的回波效果。敲黑板，最終效果就是：原本凸起的物體在外界看來就是一塊平地。

聲波遇到隱身毯，可真是一點(diǎn)辦法也沒有……

利用隱身毯實(shí)現(xiàn)擬態(tài)

a：一束聲波正以45度向下斜入射到海底；b：經(jīng)過海底反射，聲波仍然保持一束，以45度向右上方傳播；c：如果海底存在一個(gè)凸起的目標(biāo)物體，聲波經(jīng)過目標(biāo)的散射后，會(huì)分裂成兩束，并向兩個(gè)不同的方向擴(kuò)散；d：給目標(biāo)物體覆蓋一層隱身毯，此時(shí)聲波又合成一束，并且向右上方45o傳播，傳播狀態(tài)與b圖接近。

擬態(tài)海底的隱身毯

很明顯，目標(biāo)物體“披上”隱身毯后，就會(huì)擬態(tài)成一塊平面，在探測聲納看來，眼前就是一般的海底，沒有異常情況。再多的“聲納眼線”都無法區(qū)分?jǐn)M態(tài)海底與真實(shí)海底的差別，所以這種隱身毯可以制造“幻象”，躲過多個(gè)聲納的探測。

2

球形隱身衣

有朋友強(qiáng)烈表示要把小魚變透明，我們也有辦法！

球形隱身衣

這是球形隱身衣的剖面圖。圖中間有一個(gè)小圓球，它就是我們要隱藏的目標(biāo)物。外面的大球?yàn)殡[身衣所覆蓋的區(qū)域。兩個(gè)球體之間的黑線，就是聲波/光波在隱身衣中的傳播路徑。

當(dāng)聲波/光波進(jìn)入大球（隱身衣內(nèi)部）以后，波的傳播路徑就開始逐漸發(fā)生彎曲，繞過中間的小球之后又逐漸回到原本的方向上來。波完全不會(huì)進(jìn)入到中間的小球區(qū)域，就相當(dāng)于我們在聲場/電磁場中開辟了一塊沒有聲波/電磁波的空間，所以中間的小球就被隔離出來，也就沒法被探測到。

3

環(huán)形隱身衣

基于上述原理，北京理工大學(xué)胡更開教授的團(tuán)隊(duì)制作出了環(huán)形隱身衣（下圖）。這種隱身衣能引導(dǎo)絕大多數(shù)聲波能量偏離繞行，只有極少數(shù)聲波進(jìn)入隱藏區(qū)域，從而保證目標(biāo)物體不被探測發(fā)現(xiàn)。

環(huán)形隱身衣

此外，這種環(huán)形隱身衣具有很高的對稱性，無論聲波從哪個(gè)方向傳過來，都極難找到中間所隱藏的目標(biāo)物體。這也就是我們之前提到的，可以對抗多個(gè)聲納陣列的新型隱身衣！

目前，隱身技術(shù)是一門前沿、實(shí)用的科學(xué)，雖然現(xiàn)有的隱身衣并不像我們所想的那樣輕便，但也不再是毫無根據(jù)的“空中樓閣”，而且隱身衣正朝著更薄、更輕、更寬工作頻帶的方向發(fā)展。

遙想當(dāng)年，隱身還是人類遙不可及的夢想，再看今天，夢想已逐漸變成了現(xiàn)實(shí)。人類對未來的暢想，真是推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步的一股動(dòng)力！

參考文獻(xiàn)：

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