沒(méi)有物體時(shí)流場(chǎng)是平直的（a），放入物體后流場(chǎng)被擾動(dòng)（b），當(dāng)覆蓋一層流場(chǎng)隱身衣后流場(chǎng)恢復(fù)平直（c）。這種流場(chǎng)隱身衣在水下航行器隱身和水下減阻等領(lǐng)域中具有重要意義。

《蝙蝠俠：俠影之謎》劇照。

熱學(xué)隱身衣。

科學(xué)家們?cè)?009年成功實(shí)現(xiàn)了地毯式光學(xué)隱身衣。

實(shí)現(xiàn)隱身一直是人類(lèi)自古以來(lái)的夢(mèng)想：從《西游記》中孫大圣的隱身術(shù)到《哈利波特》中哈利的隱身斗篷，這一夢(mèng)想受到全世界人們的廣泛關(guān)注。隱身在狹義上僅僅指用眼睛看不見(jiàn)，更廣義的隱身則不僅僅局限于眼睛，而是泛指使用某一探測(cè)手段（如雷達(dá)、聲吶）無(wú)法探測(cè)到，就稱(chēng)之為在這種探測(cè)手段下隱身。實(shí)現(xiàn)隱身在軍事上有重要的應(yīng)用，比如隱身飛機(jī)、隱身艦艇等可以悄無(wú)聲息地接近目標(biāo)，因此隱身技術(shù)成為各國(guó)在軍事領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各類(lèi)隱身衣在許多不同物理場(chǎng)中成功實(shí)現(xiàn)，并且持續(xù)成為不同領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隱身衣的原理是什么？都有哪些不同的隱身衣？它們是怎樣被實(shí)現(xiàn)的？如果有朝一日可以穿上隱身衣，你打算給親朋好友一個(gè)怎樣的驚喜（驚嚇）呢？假如你對(duì)這些問(wèn)題感興趣，這篇文章就是為你精心準(zhǔn)備的。

　隱身衣的工作原理

欲要實(shí)現(xiàn)隱身，讓我們先了解一下為什么我們可以看見(jiàn)。一種比較普遍的情況是：物體反射或散射的光線進(jìn)入我們的眼睛，從而可以看見(jiàn)物體。

知道了這個(gè)原理，不禁讓人生出一個(gè)大膽的想法：如果一件衣服可以把光線完全吸收而不反射或散射任何光線，是不是就可以隱身了呢？眾所周知，黑色可以很好地吸收光線，穿一件超級(jí)黑色的斗篷覆蓋全身，是不是就可以到大街上為所欲為了？事情可遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有這么簡(jiǎn)單。

很明顯，在電影蝙蝠俠中蝙蝠俠的黑衣吸收了所有光線，但是跟明亮背景的對(duì)比卻把蝙蝠俠徹底暴露，所以?xún)H靠吸收光線無(wú)法實(shí)現(xiàn)隱身。

既然物體對(duì)光線的反射、散射、吸收都會(huì)暴露它的位置，那怎樣才能實(shí)現(xiàn)隱身呢？

哈利波特的隱身斗篷實(shí)現(xiàn)了既不反射和散射光線，也不吸收光線，而是讓光線絲毫不受影響地按原路傳播。當(dāng)哈利周?chē)墓饩€可以自由通過(guò)他的身體不受任何影響時(shí)，他的身體就憑空“消失”　了——人們可以清楚看到他身后的背景墻卻看不到他的身體。所以，設(shè)計(jì)隱身斗篷的基本原理是使光線的傳播不受物體影響。

原理雖然簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)卻是難題：因?yàn)榻^大多數(shù)物體都是不透明的，光線無(wú)法穿透它們繼續(xù)傳播。怎樣讓光線不受物體影響呢？目前的基本思路是設(shè)計(jì)一層特殊結(jié)構(gòu)的材料包裹物體，而這層特殊材料可以讓光線繞過(guò)物體并沿著原來(lái)的傳播路徑繼續(xù)傳播。這層特殊結(jié)構(gòu)的材料就是隱身衣。

如何讓光線繞過(guò)物體？普遍的做法是先從理論上計(jì)算所需的折射率，然后尋找具有這種折射率的材料從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)。一種重要的理論計(jì)算方式是2006年倫敦帝國(guó)學(xué)院的John　 Pendry教授及其合作者提出的變換光學(xué)理論。其關(guān)鍵在于利用坐標(biāo)變換的方式將一個(gè)體積為零的點(diǎn)變換成一個(gè)體積非零的區(qū)域，并將物體隱藏在這個(gè)特殊區(qū)域中。由于體積為零的點(diǎn)對(duì)光線傳播不會(huì)產(chǎn)生任何影響，它變換出來(lái)的特殊區(qū)域也會(huì)有類(lèi)似的性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)光線繞過(guò)物體的效果。

所以隱身衣的本質(zhì)就是，制造一個(gè)光線會(huì)繞過(guò)的區(qū)域并把物體隱藏其中，從而實(shí)現(xiàn)隱身。這種方式已經(jīng)可以在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)，比如用幾個(gè)透鏡制造出一個(gè)光線會(huì)完全繞過(guò)的區(qū)域，當(dāng)把物體放入這個(gè)區(qū)域時(shí)外界完全無(wú)法探測(cè)到。怎么樣，這個(gè)特殊空間可謂躲貓貓神器吧？你是否也想擁有并利用它實(shí)施一些大膽的計(jì)劃呢？

不同類(lèi)型隱身衣的實(shí)現(xiàn)

這種利用透鏡制造出的隱身空間雖然可行，但卻遠(yuǎn)不如隱身斗篷那樣方便實(shí)用——向物體上面一罩便可實(shí)現(xiàn)隱身。要實(shí)現(xiàn)像哈利·波特那樣的隱身斗篷，我們需要隨心所欲地控制光線偏折并使其繞過(guò)物體。這種偏折方式一般情況下是無(wú)法在自然界的材料中實(shí)現(xiàn)的，只有負(fù)折射率材料才能成功做到。而要實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率就要用到一種特殊的材料：超構(gòu)材料（Metamaterial）。

超構(gòu)材料通常并不是天然材料，而是通過(guò)功能基元的設(shè)計(jì)和基元的特殊空間排列來(lái)構(gòu)筑的人工材料。它可以展現(xiàn)出許多新奇、超常的物理特性，并廣泛利用在光學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，例如光學(xué)負(fù)折射率材料、力學(xué)負(fù)泊松比材料、聲學(xué)吸聲材料等。

（1）電磁波隱身衣利用超構(gòu)材料，科學(xué)家們?cè)?006年首次實(shí)現(xiàn)了在微波頻率的電磁波隱身衣。微波跟可見(jiàn)光一樣都是電磁波，只是波長(zhǎng)在更長(zhǎng)的尺度（毫米到米）。我們常用的微波爐就是利用這一波段的電磁波給食物加熱。雖然這個(gè)隱身衣在可見(jiàn)光波長(zhǎng)下看起來(lái)一點(diǎn)也不“隱身”，但是在特定的微波波長(zhǎng)下（3.5　厘米）它卻是隱身的，并且它內(nèi)部的物體也被隱藏，無(wú)法被這種波長(zhǎng)3.5厘米的微波探測(cè)到。

繼微波隱身衣之后，針對(duì)可見(jiàn)光的隱身衣也被科學(xué)家開(kāi)發(fā)出來(lái)，并且發(fā)展出了許多不同類(lèi)型。一種常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方案是地毯式隱身衣：它能夠?qū)⑽矬w隱藏在地毯式隱身器件下面，對(duì)于旁邊的觀察者來(lái)說(shuō)，看到的效果就像平整的地面一樣，從而使物體隱身。設(shè)計(jì)原理本質(zhì)上是通過(guò)特殊鏡面或隱藏裝置把本該照射到物體上的光線反射或折射繞過(guò)物體并按原路傳播。

（2）光學(xué)隱身衣利用這一設(shè)計(jì)方案，科學(xué)家們?cè)?009年成功實(shí)現(xiàn)了地毯式光學(xué)隱身衣。當(dāng)沒(méi)有隱身衣時(shí)物體會(huì)把光線向各個(gè)方向散射，而一旦穿上隱身衣光線的傳播方向則跟平滑的地板一模一樣：遠(yuǎn)處的觀測(cè)者會(huì)誤認(rèn)為只有地板沒(méi)有物體，這就成功實(shí)現(xiàn)了隱身。

設(shè)計(jì)隱身衣時(shí)還有一個(gè)非常重要的實(shí)用原則，那就是隱身衣越薄越好。如果能夠像一件輕薄的衣服貼身穿上即可隱身，自然比一套厚重的鎧甲更方便實(shí)用。根據(jù)這一原則，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出了超薄光學(xué)隱身衣：通過(guò)將一層80納米厚度的納米天線覆蓋在物體表面，這層納米天線不僅可以調(diào)節(jié)反射光的方向還可以調(diào)節(jié)反射光的相位，從而像平滑平面一樣反射光線并將物體掩飾為平滑地面。這層超薄納米天線顯然非常類(lèi)似于隱身斗篷，但是它只能對(duì)特定波長(zhǎng)的光（730nm）起作用。要想實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)可見(jiàn)光波段起作用的廣譜隱身衣，目前的技術(shù)尚不成熟，科學(xué)家們還需要進(jìn)一步的努力。

顯然，先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)逐步將光學(xué)隱身衣從影視故事變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。是不是披上光學(xué)隱身衣就可以人生開(kāi)掛隨時(shí)驚嚇小伙伴呢？聰明的讀者可能會(huì)說(shuō)：哪怕閉上眼睛我也能從腳步聲探測(cè)到別人靠近。事實(shí)確實(shí)如此，聲波和超聲波也可以用來(lái)探測(cè)物體，比如蝙蝠在黑暗中飛行，B超檢查身體，聲吶探測(cè)魚(yú)群、潛艇等，都是利用了聲波或超聲波來(lái)探測(cè)物體的。相應(yīng)的，針對(duì)聲波和超聲波的隱身衣研究也是如火如荼。

（3）聲學(xué)隱身衣聲學(xué)隱身衣的基本原理與光學(xué)隱身衣相同：使物體對(duì)聲波的傳播不產(chǎn)生影響即可實(shí)現(xiàn)聲學(xué)隱身衣?？茖W(xué)家設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種由16個(gè)同心環(huán)組成的超構(gòu)材料聲學(xué)隱身衣：這些同心環(huán)可以引導(dǎo)聲波繞過(guò)中心的物體實(shí)現(xiàn)聲學(xué)隱身。如果只有物體放置在聲場(chǎng)中，會(huì)對(duì)聲場(chǎng)產(chǎn)生較大影響；而加上隱身衣后，聲場(chǎng)傳播基本不受影響。聲學(xué)隱身衣在很多領(lǐng)域也有非常重要的應(yīng)用前景：比如潛艇的防聲吶探測(cè)、隔音設(shè)施的設(shè)計(jì)等。

（4）其他類(lèi)型的隱身衣除了光學(xué)隱身衣，聲學(xué)隱身衣，還有其他隱身衣嗎？答案是肯定的：熱學(xué)隱身衣也是一種常見(jiàn)的隱身衣。眾所周知，很多物體包括人體都具有跟周?chē)h(huán)境不同的溫度，那么根據(jù)這種溫度的不同，可以利用測(cè)溫裝置比如紅外探測(cè)器發(fā)現(xiàn)物體。因此，科學(xué)家們可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的熱學(xué)隱身衣：通過(guò)類(lèi)似的原理可以設(shè)計(jì)針對(duì)熱流傳播方程的熱學(xué)超構(gòu)材料并制造相應(yīng)的熱學(xué)隱身衣。當(dāng)穿上這種熱學(xué)隱身衣時(shí)，人體的溫度就跟背景溫度一致，從而實(shí)現(xiàn)熱學(xué)隱身。

受到以上這些隱身衣的啟發(fā)，最近的研究熱點(diǎn)開(kāi)始聚焦在流場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)隱身。流場(chǎng)隱身衣追求把物體對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)降到最低，進(jìn)而使外界無(wú)法從流場(chǎng)的變化中探測(cè)到物體。這種流場(chǎng)隱身衣2019年首次在多孔介質(zhì)流場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)。

同樣的，流場(chǎng)隱身衣也是越薄越好。有鑒于此，我們團(tuán)隊(duì)（香港中文大學(xué)徐磊教授研究組）研發(fā)出了目前世界上最薄的殼層式隱身衣。我們的設(shè)計(jì)巧妙地結(jié)合雙層隱身設(shè)計(jì)的里層與隱藏物于一體，將雙層隱身設(shè)計(jì)進(jìn)一步縮減為單層隱身，從而實(shí)現(xiàn)最薄的流場(chǎng)隱身衣——其厚度僅為中間隱藏物體的千分之三。這種超薄隱身衣對(duì)于實(shí)現(xiàn)物體的近場(chǎng)隱身有非常重要的意義。

小結(jié)

綜上所述，自然界存在各種不同的物理場(chǎng)，比如光場(chǎng)、聲場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)等等。針對(duì)不同的物理場(chǎng)均可研發(fā)各種隱身衣作為有效的反探測(cè)手段。這些隱身衣可以單獨(dú)使用，也可以組合在一起形成針對(duì)多物理場(chǎng)的超級(jí)隱身衣。隨著探測(cè)手段的日益提高，反探測(cè)的隱身研究也是水漲船高。還有什么新的黑科技會(huì)從中誕生呢？讓我們拭目以待！

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