隐身衣研究“一个真正的进步”

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浙大科学家制造出可见光波段生物隐形器件
        　　披上一件隐身斗篷，在人们的视野中瞬间遁形，这是人类长期以来的梦想之一。
       
               日前，一只猫和一条金鱼比人类提前“享用”了一种隐身衣。10月24日，浙江大学国际电磁科学院陈红胜教授课题组在《Nature Communications》上发表的一篇论文报道了该课题组的最新进展，他们与新加坡南洋理工大学张柏乐教授等研究团队合作，使用玻璃制造出了可见光波段的生物隐形器件。

       


        让光线转弯
        　　要研究“隐形”，就要先明白物体为什么会“显形”：当电磁波照射到物体上时，会在物体上发生散射。散射的电磁波被人眼等“感应器”接收，就能识别那里存在物体。“目前应用的隐身技术，大部分是通过吸收电磁波，让反射回去的电磁波达到最小，但这种技术并不是人们通常所理解的隐身。”陈红胜说。

        　　2006年，英国帝国理工学院Pendry等在Science上发表文章，提出了利用坐标变换的方法设计隐身衣，既不反射也不吸收电磁波，使电磁波能够绕过被隐身的区域，按照原来的方向传播，从而可以使物体完全隐形。这是隐身衣设计的“殿堂级”理论，奠定了隐身衣研究的理论体系。它的核心思想是，通过材料表面折射率的改造，让光线“转弯”绕过物体按原方向传播，就能将物体隐藏。此后，隐身衣的研究得到飞速发展，近年来成为电磁学、物理学、光学、材料科学及交叉学科非常前沿和热门的研究领域之一。

       


        　　“就像小溪里的流水，经过一块石头时，溪流会绕过石头后再合拢了继续向前，就像没有遇到过石头一样。进入隐身衣的光线要绕过物体，所以走过的路径长;没有进入隐身衣的光线是一条直线，走过的路径短。完美的隐身衣要求所有的光线保持相同相位，因此进入隐身衣的光线必须跑得比外部光线快，这就要求隐身衣的材料对不同光线具有不同的折射率。”陈红胜说，要实现Pendry“完美隐身”的理想，要非常精密的纳米加工技术，目前还无法实现，我们必须进一步对理论进行简化，才有可能在不同的电磁波频段里研发出可以实用的“隐身衣”。
     
  
        

        聚焦可见光波段
        　　陈红胜课题组近两年的研究，聚焦如何在可见光波段实现物体隐形，也就是说，怎样让物体在人的肉眼前遁形。他们提出了一种可见光波段多边形隐身衣的设计方法，通过均匀线性变换的方法，设计并简化了隐身衣的各个部分的参数，对于隐身衣从理论走向实用起到了促进作用。

        　　“人眼对光线的相位和略微延时并不敏感，”陈红胜说a，结合这一特性，他们对Pendry提出的理论体系进行进一步简化，剔除理论中“光线保持相同相位”的条件，这样，“隐身器件能够使用更加易得的材料，也不需纳米级工艺雕琢，降低了隐身衣的设计和实现难度。”

       


        　　2012年，陈红胜课题组用一种自然界存在的双折射晶体研发了一套柱形隐身器件，实现让一根筷子粗细的物体隐形。“但是这种材料的尺度很小，且只能对某个极化的光才可以隐形，又无法大规模制备，我们需要进一步研究适用于大尺度器件的材料和方法。”课题组成员、博士生郑斌说。

        　　2013年，通过进一步的理论分析，课题组对隐身器件的参数进行优化，并选用在工业上可以大规模制备的一种玻璃作为隐身衣的材料，将隐身衣的“尺寸”扩增到直径分米量级以上，并且可以在任意极化的自然光下隐身。实验显示，一只蹲在六边形隐身装置的小猫，在特定的某个角度，光线可以直接绕过小猫，并回到原来的路径出射。为了探究隐身衣对不同生命环境的适应性，课题组还研发了一组适用于水中隐形的装置：金鱼游进这件“隐身衣”，身后的物体仍然一览无余。“这意味着隐身器件不仅能够隐藏像猫、鱼这样大的物体，生物还能和隐身器件一起活动，隐身效果并不会因此受到影响。”陈红胜说。

        　　截至目前，这一可见光频段的隐身器件还只能在特定的角度上取得理想的隐身效果，如六边形隐身器在正对六条棱角的角度具有较好效果，而多边隐身器仅有两个角度能够实现隐身。陈红胜表示，这一隐身器件将有望在安全、娱乐和监控应用领域发挥作用。团队在下一步将着力提升隐身的性能，如增加隐身角度、减轻装置的重量等。
     
  
        

        隐身衣热
        　　隐身衣理论体系的提出者Pendry看到了这一研究进展，他在接受英国《卫报》采访时表示，这项工作是隐身衣研究领域“一个真正的进步”，此外，他在接受《自然》记者采访时进一步指出：“每个人都想拥有一件在可见光频段下能够隐藏现实世界中很大物体的隐身衣，但是要达到这点需要对理想的隐身衣理论进行一些折中设计，”他认为陈红胜和他的同事们在这方面走的比大多数更远，他们剔除了透射波相位要求保持一致的条件，“结果，他们实现了尺度相当大的可见光隐身器件”。

       


        　　据介绍，目前隐身器件实验研究方面进展主要可以归为两类：一类是地毯式隐身器件，物体躲在地毯式隐身器件下面，对于上面的观察者来说，看到的效果就像平整的地面一样，由此可以使物体得到隐身，这一类地毯式隐身器件要求物体不能脱离地面，主要是基于光线的反射，参数上相对容易实现一些。通过许多科学家的努力，目前地毯式隐身器件已经从微波段做到了光频段，并且隐身的尺度也从几个波长的大小到达几千个波长的大小。

        　　第二类是人们通常所理解的哈里波特式的隐身衣，可以脱离地面移动，这类隐身衣要求光线能够绕过中间的隐身区域，参数要求更加苛刻一些，相应的实验工作也比较少一些。目前国际上这部分的实验工作大部分集中在微波波段。

        　　陈红胜教授的工作属于上述第二类型的隐身器件。从应用的角度出发，隐身如要能有较好的应用，必须要能够工作在宽频带、全方向、全极化，要实现这个最终目标难度非常大。陈红胜的这项研究目前虽然还只能在几个方向上可以有效地隐身，但是可以工作在整个可见光频段和任意极化的光波。

        隐形衣现世惊人
        　　要披上一件隐身斗篷，就会瞬间消失遁形，这样的镜头时常出现在科幻片里。长期以来，人类也一直为拥有一件属于自己的“隐身衣”这一梦想而努力。兰州大学信息科学与工程学院梅中磊副教授和东南大学教授崔铁军带领研究小组基于拉普拉斯方程有源隐形原理成功研制出有源隐形衣，使得这一梦想变成了现实。

       


        “长的”不是想的那样
        　　长期以来，只要提及隐形衣三个字，大多数人都会本能地将其与斗篷、风衣联系起来。那么，现实中的隐形衣又是怎样的面孔?

        　　11月19日晚些时候，当记者在兰州大学信息科学与工程学院梅中磊副教授处看到他们的最新研究成果—有源隐形衣：一个由电阻相连构成的同心圆电路板，圆心周围连接着36根小辫子一样的信号源。我眼前的这件“隐形衣”，模样“长的”不仅完全和我们想的不一样，外表也没有我们想象的那样复杂或者漂亮，这样的结果实在是超乎想象。然而，正是这样一个看似貌不惊人的设备，却会让小到一个苹果、大到一个地下宝藏遁形或者以另外一种完全不同的面貌呈现。

        实现直流领域下的伪装
        　　梅中磊副教授告诉记者，人之所以能够看到物体，是由于来自物体的光线进入人眼。探测仪器之所以能发现物体，是因为物体阻挡了电磁波通过。在隐形领域，有很多频段，比如微波、红外线、可见光等。而他所在的研究小组这一最新研究成果则是实现了直流领域下的伪装。

       


        　　“电磁隐形是近年来科技界的研究热点之一。这项研究是采用有源方法对直流情况下的隐形、伪装等，基于电路方式和叠加原理进行了首次实验验证。其过程就好似小溪里的流水，经过石头时，会绕过石头再合拢向前，如同没有遇到石头一样。这使得仪器显示物体不存在了，也就实现了"隐形"。”梅中磊告诉记者。

        国内外引起广泛关注
        　　梅中磊告诉记者，此次成功研制的有源隐形衣所采用的技术与之前的隐形技术有所不同：“这种隐形衣的隐形原理不是反射或吸收波，而是通过部署在物体周围的有源设备改变波的传播路线，使之发生弯曲，以达到绕射传播的目的。另外，还可以通过对有源设备的调整实现动态可控。”

        　　据了解，梅中磊副教授所带领的研究小组，从2008年开始就对人工电磁材料、电磁隐形衣、变换光学理论等进行了跟踪，并在诸多国际知名刊物上发表了一系列的文章。2012年，该研究小组投送的科研论文《直流电型隐形装置》被世界著名的物理学顶级学术期刊《物理评论快报》(PRL)以封面形式报道。

       


        　　今年10月25日，当该研究小组又一最新科研成果—有源隐形衣以科研论文《针对拉普拉斯方程有源隐形和幻觉的实验验证》的形式被《物理评论快报》发表后，在国内外引起了广泛关注。2013年11月5日，BBC未来网站“雷达之下”栏目对这一成果进行了跟踪报道。在该篇报道中如此介绍：“不同于之前针对隐形设备所需材料的实验研究，这一设备能使得幻觉效果动态可控，因此被隐形的目标可以被伪装成一种形式，或者是另外一种形式。”这也是就说，假设你在地下使用这一设备，你可以隐藏一个秘密燃料库或埋藏的宝藏，使得从地表扫描看来是其他的物体，实现主动控制伪装。

        意义重大价值广泛
        　　提及这项科研成果对于现实生活的意义和价值，梅中磊说：“这是有源隐形首次通过科学实验得到证实。它的成功进一步丰富了隐形理论，是今后设计更灵活的隐形设备的基础。”

        　　梅中磊表示，相对于其他隐形方式，这项成果方法非常简单、灵活，且在线可控，与此前隐形设备需要复杂的人工电磁材料不同，该设备仅需要对普通电子元器件进行焊接，有巨大的应用前景。“比如用于汽车降噪、医疗卫生、生物电阻抗成像、地球资源勘探、目标隐藏与伪装、军事领域等等。”梅中磊介绍说。

        　　据介绍，就在梅中磊所在的研究小组将这一科研成果发布之后不久，加拿大多伦多大学的一个实验小组于今年11月初也做了类似的研究，“不同的是，我们做的是直流频段，他们做的是微波段，从这一点上也说明，这一研究成果具有非常重要的科学意义。”梅中磊说。