给我一点超材料 还你一件隐身衣
2018/3/16 科学大院
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作者:毕亚峰(中国科学院声学研究所噪声与振动重点实验室)
“大爷穿上国产隐身衣，凭空消失!”前段时间，这个视频在网上超火的~
不过!如果大家认为披上一件薄薄的外套，就能让整个人变得透明，甚至消失得无影无踪，那么不好意思让你失望了，我们的材料科学目前还没发展到这个阶段。所以“网红”隐身衣之类的“神器”，都是移花接木的电影特效，电影特效，电影特效!
虽然“网红”隐身衣是假的，但“隐身”可是切切实实存在的科技!
金鱼为什么消失？
浙江大学陈红胜教授课题组在水缸里放了个六边形的隐身块(下图左)，它蓝白相间，中心有一个小孔，当金鱼游进小孔后，相机只能拍到隐身块后方的水草，而金鱼却从画面中消失了(下图右)。
左：水缸里的隐身块；右：相机拍摄画面
这是一项很有意思的研究啊!广大男同胞们可以用它来藏私房钱(嘿嘿)。
我们不禁想问，这样的隐身技术是什么原理呢？？？
这还得从人为什么能看到鱼说起。
光线照在鱼身上后，会产生各种各样的散射，这些散射波传到我们的眼睛，就形成了我们所看见的小鱼的模样。既然如此，如果我们能控制光线从小鱼身边绕过去，那么就没有光的散射，小鱼也就会“看起来”消失不见!
隐身原理示意图
问题又来了，水缸里的隐身块是怎么实现隐身效果的呢？
下图是光线在水缸里的传播路径，其中红色的线代表水草方向传来的光波，光线在传播过程中绕开了中间的小孔区域(即隐身区域)，传到右侧的相机中。中间的小孔并不会遮挡水草散射出来的光线，所以我们仍然能够看到隐身衣后方的水草；由于光波绕过了藏匿在小孔中的金鱼，所以金鱼就消失不见了。
水缸隐身块原理示意图
隐身技术的关键——操控波的传播
众所周知，光波是一种电磁波，它在空气中衰减很小，传播很远后仍然可以被检测到，所以我们看得见远方的物体；在海水中光波则衰减很大，传播一小段距离后就微弱到可以忽略不计，所以深海之中一片漆黑。据此，我们往往使用声波代替电磁波来探测水下目标。
声波探测的道理与光波相同，声纳发出的声波遇到目标后也会产生散射，此时声纳接收到散射波信号，就发现了目标物体(下图)。
单个声纳进行探测
以往人们通过吸收声波来躲避声纳的探测，将探测发出的声波能量尽可能地“吃掉”，散射回波就会大幅减小。在单个收发合置的声纳(既负责发射探测声波，又负责接收散射回波)探测的情景中，这种方法是有效的，没有散射回波，探测声纳就认为没有物体存在。
但是，如果海洋中到处都布满了声纳，声纳之间互相接收信号，此时继续使吸收声波，会造成原本应该存在的探测信号突然消失，就好比在你的眼睛和灯光之间放上一块吸光的黑布，出现明显的遮挡，这块布就露馅了。就如下图的情况，当目标物出现时，虽然左侧的声纳没有收到回波，显示正常，但右侧的声纳却会发现，咦？怎么声波被挡住啦？马上发出警告!
多个声纳进行探测
这时，你需要新型的隐身衣!从一侧声纳发出的声波，经过隐身衣绕过目标，传到另一侧的声纳，在众多声纳眼中，目标物体就像前文的金鱼一样消失了，既没有回波，也没有遮挡，布放再多的声纳也无济于事。
使目标透明的隐身衣：覆盖隐身衣后的目标基本没有散射回波，而且不存在声波的阴影区，仿佛从声场中“隐身”。
那么如何实现声波的操控并做出隐身衣呢？
超材料怎么变隐身魔法？
如何实现声波的操控？这是众多科学家前赴后继研究的问题。
声波的传播需要介质，而介质直接决定了声波的传播速度、折射方向等特性。于是，声波的传播介质成为了科学家的关注点。随着人们对声学、力学的认识逐步加深，一种叫做超材料的人工复合结构/材料进入科学家的视线。
什么是超材料？
当我们把介质里很微小的人工结构(远远小于波长)进行有序排列后，就可以改变介质的宏观性质。这些经过人工排序的微结构组成的介质，就叫做超材料。
知识点
为什么微结构可以改变宏观性质？
因为微结构们太小啦!声波并不能识别出它们，只能从整体上感受出介质的特性。因此，利用这些细微结构就可以制作相应的器件，实现对声波的操控。这就跟画画一样，肉眼并不能辨别出颜料中的分子(细微结构)，只能看到颜料整体显示出的颜色(宏观性质)，如果我们将这些颜料合理布局，就能画出一幅美妙的作品。
基于这种理论，具有“隐身”功能的新型声学器件开始出现。
比如声波偏转器：将一系列特定的微结构排列成扇形(图中的黑线)，可以获得改变声波传播方向的超能力。当声波从左向右发射进入扇形结构后，前进方向会逐渐发生偏转，最终转向90o，变成了向上传播。
超材料控制下，声波会偏转90°
这里的微结构是什么？细细观察图中的一小段黑线，可以看到，微结构是一系列从左往右逐渐变大的小孔。声波穿过这些小孔时，孔小的地方声速要慢一些，孔大的地方声速要快一些。就像一排小朋友在操场跑步，过弯道的时候，外面的人要跑快点，里面的人可以跑慢些，那么大家就能整齐划一地保持同步转弯。转过90度后，声波跑出了偏转器，大家又以相同的速度朝前跑啦。
声波偏转器的内部细微结构
利用超材料控制声波的传播方向，我们就可以人为控制声波散射，比如把声波引到一些本不该有声波的地方，也可以反过来，把原本到处都是声波的地方擦得干干净净。
超材料就像一支画笔，赋予了我们修改“声场”这块画布的能力。涂涂抹抹，可以把一条金鱼变得透明；修修改改，似乎还能把金鱼画成海底；再缝缝补补，好像还能把金鱼变鲸鱼。
是的，你没看错，金鱼在声纳眼中长什么样，只与它对声波的散射有关。
现在可以大变金鱼魔术啦!!!你以为前方是空无一物的水域，其实隐身衣中藏着金鱼。你以为这里是浮着水草的海底，其实隐身毯下也躲着金鱼。你以为这是一条大鲸鱼，其实幻象之下，它还是一条小金鱼。
隐身神器功能大比拼
利用超材料，我国的科学家们已经做出了不少隐身神器!
1
隐身毯
中科院声学所的杨军研究员团队就做出了一种“魔术”隐身毯。研究人员使用超材料修改了目标的散射波，让它拟态变成了海底，率先在水下实现了物体的声学隐身。
不明觉厉？我们还是直接看图说话吧。
水下隐身毯模型
隐身毯由一层一层互相分隔的黄铜板组成，毯下有一个梯形的小空间，需要隐藏的目标物体就放在这个区域。覆盖在目标物体上的隐身毯，可以对周围的声波进行引导，使原本凸起的目标物体显示出平面的回波效果。敲黑板，最终效果就是：原本凸起的物体在外界看来就是一块平地。
声波遇到隐身毯，可真是一点办法也没有……
利用隐身毯实现拟态
a：一束声波正以45度向下斜入射到海底；b：经过海底反射，声波仍然保持一束，以45度向右上方传播；c：如果海底存在一个凸起的目标物体，声波经过目标的散射后，会分裂成两束，并向两个不同的方向扩散；d：给目标物体覆盖一层隐身毯，此时声波又合成一束，并且向右上方45o传播，传播状态与b图接近。
拟态海底的隐身毯
很明显，目标物体“披上”隐身毯后，就会拟态成一块平面，在探测声纳看来，眼前就是一般的海底，没有异常情况。再多的“声纳眼线”都无法区分拟态海底与真实海底的差别，所以这种隐身毯可以制造“幻象”，躲过多个声纳的探测。
2
球形隐身衣
有朋友强烈表示要把小鱼变透明，我们也有办法!
球形隐身衣
这是球形隐身衣的剖面图。图中间有一个小圆球，它就是我们要隐藏的目标物。外面的大球为隐身衣所覆盖的区域。两个球体之间的黑线，就是声波/光波在隐身衣中的传播路径。
当声波/光波进入大球(隐身衣内部)以后，波的传播路径就开始逐渐发生弯曲，绕过中间的小球之后又逐渐回到原本的方向上来。波完全不会进入到中间的小球区域，就相当于我们在声场/电磁场中开辟了一块没有声波/电磁波的空间，所以中间的小球就被隔离出来，也就没法被探测到。
3
环形隐身衣
基于上述原理，北京理工大学胡更开教授的团队制作出了环形隐身衣(下图)。这种隐身衣能引导绝大多数声波能量偏离绕行，只有极少数声波进入隐藏区域，从而保证目标物体不被探测发现。
环形隐身衣
此外，这种环形隐身衣具有很高的对称性，无论声波从哪个方向传过来，都极难找到中间所隐藏的目标物体。这也就是我们之前提到的，可以对抗多个声纳阵列的新型隐身衣!
目前，隐身技术是一门前沿、实用的科学，虽然现有的隐身衣并不像我们所想的那样轻便，但也不再是毫无根据的“空中楼阁”，而且隐身衣正朝着更薄、更轻、更宽工作频带的方向发展。
遥想当年，隐身还是人类遥不可及的梦想，再看今天，梦想已逐渐变成了现实。人类对未来的畅想，真是推动科学进步的一股动力!
参考文献：
[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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你穿着隐身衣点赞，我也看得见
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