實力科普:給我一點超材料 還你一件隱身衣!

　　「大爺穿上國產隱身衣，憑空消失！」前段時間，這個視頻在網上超火的~

　　不過！如果大家認為披上一件薄薄的外套，就能讓整個人變得透明，甚至消失得無影無蹤，那麼不好意思讓你失望了，我們的材料科學目前還沒發展到這個階段。所以「網紅」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「網紅」隱身衣是假的，但「隱身」可是切切實實存在的科技！

　　金魚為什麼消失？

　　浙江大學陳紅勝教授課題組在水缸裡放了個六邊形的隱身塊（下圖左），它藍白相間，中心有一個小孔，當金魚遊進小孔後，相機只能拍到隱身塊後方的水草，而金魚卻從畫面中消失了（下圖右）。

左：水缸裡的隱身塊；右：相機拍攝畫面

　　這是一項很有意思的研究啊！廣大男同胞們可以用它來藏私房錢（嘿嘿）。

我們不禁想問，這樣的隱身技術是什麼原理呢？？？

　　這還得從人為什麼能看到魚說起。

　　光線照在魚身上後，會產生各種各樣的散射，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，那麼就沒有光的散射，小魚也就會「看起來」消失不見！

隱身原理示意圖

　　問題又來了，水缸裡的隱身塊是怎麼實現隱身效果的呢？

　　下圖是光線在水缸裡的傳播路徑，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域（即隱身區域），傳到右側的相機中。中間的小孔並不會遮擋水草散射出來的光線，所以我們仍然能夠看到隱身衣後方的水草；由於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

　　隱身技術的關鍵——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，傳播很遠後仍然可以被檢測到，所以我們看得見遠方的物體；在海水中光波則衰減很大，傳播一小段距離後就微弱到可以忽略不計，所以深海之中一片漆黑。據此，我們往往使用聲波代替電磁波來探測水下目標。

　　聲波探測的道理與光波相同，聲納發出的聲波遇到目標後也會產生散射，此時聲納接收到散射波信號，就發現了目標物體（下圖）。

單個聲納進行探測

　　以往人們通過吸收聲波來躲避聲納的探測，將探測發出的聲波能量儘可能地「吃掉」，散射回波就會大幅減小。在單個收發合置的聲納（既負責發射探測聲波，又負責接收散射回波）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，此時繼續使吸收聲波，會造成原本應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，出現明顯的遮擋，這塊布就露餡了。就如下圖的情況，當目標物出現時，雖然左側的聲納沒有收到回波，顯示正常，但右側的聲納卻會發現，咦？怎麼聲波被擋住啦？馬上發出警告！

多個聲納進行探測

　　這時，你需要新型的隱身衣！從一側聲納發出的聲波，經過隱身衣繞過目標，傳到另一側的聲納，在眾多聲納眼中，目標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於事。

　　使目標透明的隱身衣：覆蓋隱身衣後的目標基本沒有散射回波，而且不存在聲波的陰影區，仿佛從聲場中「隱身」。

　　那麼如何實現聲波的操控並做出隱身衣呢？

　　超材料怎麼變隱身魔法？

　　如何實現聲波的操控？這是眾多科學家前赴後繼研究的問題。

　　聲波的傳播需要介質，而介質直接決定了聲波的傳播速度、折射方向等特性。於是，聲波的傳播介質成為了科學家的關注點。隨著人們對聲學、力學的認識逐步加深，一種叫做超材料的人工複合結構/材料進入科學家的視線。

　　什麼是超材料？

　　當我們把介質裡很微小的人工結構（遠遠小于波長）進行有序排列後，就可以改變介質的宏觀性質。這些經過人工排序的微結構組成的介質，就叫做超材料。

　　知識點

　　為什麼微結構可以改變宏觀性質？

　　因為微結構們太小啦！聲波並不能識別出它們，只能從整體上感受出介質的特性。因此，利用這些細微結構就可以製作相應的器件，實現對聲波的操控。這就跟畫畫一樣，肉眼並不能辨別出顏料中的分子（細微結構），只能看到顏料整體顯示出的顏色（宏觀性質），如果我們將這些顏料合理布局，就能畫出一幅美妙的作品。

　　基於這種理論，具有「隱身」功能的新型聲學器件開始出現。

　　比如聲波偏轉器：將一系列特定的微結構排列成扇形（圖中的黑線），可以獲得改變聲波傳播方向的超能力。當聲波從左向右發射進入扇形結構後，前進方向會逐漸發生偏轉，最終轉向90o，變成了向上傳播。

超材料控制下，聲波會偏轉90°

　　這裡的微結構是什麼？細細觀察圖中的一小段黑線，可以看到，微結構是一系列從左往右逐漸變大的小孔。聲波穿過這些小孔時，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，過彎道的時候，外面的人要跑快點，裡面的人可以跑慢些，那麼大家就能整齊劃一地保持同步轉彎。轉過90度後，聲波跑出了偏轉器，大家又以相同的速度朝前跑啦。

聲波偏轉器的內部細微結構

　　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乾乾淨淨。

　　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。塗塗抹抹，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；再縫縫補補，好像還能把金魚變鯨魚。

是的，你沒看錯，金魚在聲納眼中長什麼樣，只與它對聲波的散射有關。

　　現在可以大變金魚魔術啦！！！你以為前方是空無一物的水域，其實隱身衣中藏著金魚。你以為這裡是浮著水草的海底，其實隱身毯下也躲著金魚。你以為這是一條大鯨魚，其實幻象之下，它還是一條小金魚。

　　隱身神器功能大比拼

　　利用超材料，我國的科學家們已經做出了不少隱身神器！

　　隱身毯

　　中科院聲學所的楊軍研究員團隊就做出了一種「魔術」隱身毯。研究人員使用超材料修改了目標的散射波，讓它擬態變成了海底，率先在水下實現了物體的聲學隱身。

　　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，毯下有一個梯形的小空間，需要隱藏的目標物體就放在這個區域。覆蓋在目標物體上的隱身毯，可以對周圍的聲波進行引導，使原本凸起的目標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，可真是一點辦法也沒有……

利用隱身毯實現擬態

　　a：一束聲波正以45度向下斜入射到海底；b：經過海底反射，聲波仍然保持一束，以45度向右上方傳播；c：如果海底存在一個凸起的目標物體，聲波經過目標的散射後，會分裂成兩束，並向兩個不同的方向擴散；d：給目標物體覆蓋一層隱身毯，此時聲波又合成一束，並且向右上方45o傳播，傳播狀態與b圖接近。

擬態海底的隱身毯

　　很明顯，目標物體「披上」隱身毯後，就會擬態成一塊平面，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」都無法區分擬態海底與真實海底的差別，所以這種隱身毯可以製造「幻象」，躲過多個聲納的探測。

　　球形隱身衣

　　有朋友強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。圖中間有一個小圓球，它就是我們要隱藏的目標物。外面的大球為隱身衣所覆蓋的區域。兩個球體之間的黑線，就是聲波/光波在隱身衣中的傳播路徑。

　　當聲波/光波進入大球（隱身衣內部）以後，波的傳播路徑就開始逐漸發生彎曲，繞過中間的小球之後又逐漸回到原本的方向上來。波完全不會進入到中間的小球區域，就相當於我們在聲場/電磁場中開闢了一塊沒有聲波/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。

　　環形隱身衣

　　基於上述原理，北京理工大學胡更開教授的團隊製作出了環形隱身衣（下圖）。這種隱身衣能引導絕大多數聲波能量偏離繞行，只有極少數聲波進入隱藏區域，從而保證目標物體不被探測發現。

環形隱身衣

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

　　目前，隱身技術是一門前沿、實用的科學，雖然現有的隱身衣並不像我們所想的那樣輕便，但也不再是毫無根據的「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展。

　　遙想當年，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實。人類對未來的暢想，真是推動科學進步的一股動力！

　　參考文獻：

　　[1] CHEN Hongsheng， ZHENG Bin， SHEN Lian， WANG Huaping， ZHANG Xianmin， Nikolay I。 Zheludev， ZHANG Baile。 Ray-Optics Cloaking Devices for LARGE OBJECTS in Incoherent Natural Light[J]。 Nature communications， 2013， 4： 2652。

　　[2] LU Wenjia， JIA Han， BI Yafeng， YANG Yuzhen， YANG Jun。 Design and Demonstration of an Acoustic Right-Angle Bend[J]。 The Journal of the Acoustical Society of America， 2017， 142（1）： 84-89。

　　[3] BI Yafeng， JIA Han， LU Wenjia， JI Peifeng， YANG Jun。 Design and Demonstration of an Underwater Acoustic Carpet Cloak[J]。 Scientific Reports， 2017， 7（1）：705。

　　[4] CHEN Yi， ZHENG Mingye， LIU Xiaoning， BI Yafeng， SUN Zhaoyong， XIANG Ping， YANG Jun， HU Gengkai。 Broadband Solid Cloak for Underwater Acoustics[J]。 Physical Review B， 2017， 95（18）： 180104

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