“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(guò)！如果大家認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(wú)影無(wú)蹤，那么不好意思讓你失望了，我們的材料科學(xué)目前還沒(méi)發(fā)展到這個(gè)階段。所以“網(wǎng)紅”隱身衣之類(lèi)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！

　　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），它藍白相間，中心有一個(gè)小孔，當金魚(yú)游進(jìn)小孔后，相機只能拍到隱身塊后方的水草，而金魚(yú)卻從畫(huà)面中消失了（下圖右）。

　　左：水缸里的隱身塊；右：相機拍攝畫(huà)面

　　這是一項很有意思的研究啊！廣大男同胞們可以用它來(lái)藏私房錢(qián)（嘿嘿）。

　　我們不禁想問(wèn)，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(yú)說(shuō)起。

　　光線(xiàn)照在魚(yú)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(jiàn)的小魚(yú)的模樣。既然如此，如果我們能控制光線(xiàn)從小魚(yú)身邊繞過(guò)去，那么就沒(méi)有光的散射，小魚(yú)也就會(huì )“看起來(lái)”消失不見(jiàn)！

　　隱身原理示意圖

　　問(wèn)題又來(lái)了，水缸里的隱身塊是怎么實(shí)現隱身效果的呢？

　　下圖是光線(xiàn)在水缸里的傳播路徑，其中紅色的線(xiàn)代表水草方向傳來(lái)的光波，光線(xiàn)在傳播過(guò)程中繞開(kāi)了中間的小孔區域（即隱身區域），傳到右側的相機中。中間的小孔并不會(huì )遮擋水草散射出來(lái)的光線(xiàn)，所以我們仍然能夠看到隱身衣后方的水草；由于光波繞過(guò)了藏匿在小孔中的金魚(yú)，所以金魚(yú)就消失不見(jiàn)了。

　　水缸隱身塊原理示意圖

　　眾所周知，光波是一種電磁波，它在空氣中衰減很小，傳播很遠后仍然可以被檢測到，所以我們看得見(jiàn)遠方的物體；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，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(lái)探測水下目標。

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

　　單個(gè)聲納進(jìn)行探測

　　以往人們通過(guò)吸收聲波來(lái)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（既負責發(fā)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(méi)有散射回波，探測聲納就認為沒(méi)有物體存在。

　　但是，如果海洋中到處都布滿(mǎn)了聲納，聲納之間互相接收信號，此時(shí)繼續使吸收聲波，會(huì )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(shí)，雖然左側的聲納沒(méi)有收到回波，顯示正常，但右側的聲納卻會(huì )發(fā)現，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！從一側聲納發(fā)出的聲波，經(jīng)過(guò)隱身衣繞過(guò)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(yú)一樣消失了，既沒(méi)有回波，也沒(méi)有遮擋，布放再多的聲納也無(wú)濟于事。

　　（gif動(dòng)圖演示）使目標透明的隱身衣：覆蓋隱身衣后的目標基本沒(méi)有散射回波，而且不存在聲波的陰影區，仿佛從聲場(chǎng)中“隱身”。

　　那么如何實(shí)現聲波的操控并做出隱身衣呢？

　　如何實(shí)現聲波的操控？這是眾多科學(xué)家前赴后繼研究的問(wèn)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(zhù)人們對聲學(xué)、力學(xué)的認識逐步加深，一種叫做超材料的人工復合結構/材料進(jìn)入科學(xué)家的視線(xiàn)。

　　什么是超材料？

　　當我們把介質(zhì)里很微小的人工結構（遠遠小于波長(cháng)）進(jìn)行有序排列后，就可以改變介質(zhì)的宏觀(guān)性質(zhì)。這些經(jīng)過(guò)人工排序的微結構組成的介質(zhì)，就叫做超材料。

　　基于這種理論，具有“隱身”功能的新型聲學(xué)器件開(kāi)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(xiàn)），可以獲得改變聲波傳播方向的超能力。當聲波從左向右發(fā)射進(jìn)入扇形結構后，前進(jìn)方向會(huì )逐漸發(fā)生偏轉，最終轉向90度，變成了向上傳播。

　　超材料控制下，聲波會(huì )偏轉90°

　　這里的微結構是什么？細細觀(guān)察圖中的一小段黑線(xiàn)，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(guò)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(chǎng)跑步，過(guò)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彎。轉過(guò)90度后，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(guò)來(lái)，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(huà)筆，賦予了我們修改“聲場(chǎng)”這塊畫(huà)布的能力。涂涂抹抹，可以把一條金魚(yú)變得透明；修修改改，似乎還能把金魚(yú)畫(huà)成海底；再縫縫補補，好像還能把金魚(yú)變鯨魚(yú)。

　　是的，你沒(méi)看錯，金魚(yú)在聲納眼中長(cháng)什么樣，只與它對聲波的散射有關(guān)。

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

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

　　不明覺(jué)厲？我們還是直接看圖說(shuō)話(huà)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，需要隱藏的目標物體就放在這個(gè)區域。覆蓋在目標物體上的隱身毯，可以對周?chē)穆暡ㄟM(jìn)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(lái)就是一塊平地。

　　聲波遇到隱身毯，可真是一點(diǎn)辦法也沒(méi)有……

　　利用隱身毯實(shí)現擬態(tài)

　　a：一束聲波正以45度向下斜入射到海底；b：經(jīng)過(guò)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)凸起的目標物體，聲波經(jīng)過(guò)目標的散射后，會(huì )分裂成兩束，并向兩個(gè)不同的方向擴散；d：給目標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。

　　（gif動(dòng)圖演示）擬態(tài)海底的隱身毯

　　很明顯，目標物體“披上”隱身毯后，就會(huì )擬態(tài)成一塊平面，在探測聲納看來(lái)，眼前就是一般的海底，沒(méi)有異常情況。再多的“聲納眼線(xiàn)”都無(wú)法區分擬態(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(guò)多個(gè)聲納的探測。

　　2.球形隱身衣

　　有朋友強烈表示要把小魚(yú)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物。外面的大球為隱身衣所覆蓋的區域。兩個(gè)球體之間的黑線(xiàn)，就是聲波/光波在隱身衣中的傳播路徑。

　　當聲波/光波進(jìn)入大球（隱身衣內部）以后，波的傳播路徑就開(kāi)始逐漸發(fā)生彎曲，繞過(guò)中間的小球之后又逐漸回到原本的方向上來(lái)。波完全不會(huì )進(jìn)入到中間的小球區域，就相當于我們在聲場(chǎng)/電磁場(chǎng)中開(kāi)辟了一塊沒(méi)有聲波/電磁波的空間，所以中間的小球就被隔離出來(lái)，也就沒(méi)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(kāi)教授的團隊制作出了環(huán)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(jìn)入隱藏區域，從而保證目標物體不被探測發(fā)現。

　　環(huán)形隱身衣

　　此外，這種環(huán)形隱身衣具有很高的對稱(chēng)性，無(wú)論聲波從哪個(gè)方向傳過(guò)來(lái)，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(gè)聲納陣列的新型隱身衣！

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

　　遙想當年，隱身還是人類(lèi)遙不可及的夢(mèng)想，再看今天，夢(mèng)想已逐漸變成了現實(shí)。人類(lèi)對未來(lái)的暢想，真是推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步的一股動(dòng)力！

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