周口头条

实力科普:给我一点超材料 还你一件隐身衣!

997人参与 |分类: 科技生活|时间:2018年03月16日 12:29

来源:科学大院微信公众号

  “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!

  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???

  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°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。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!

  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。

  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。

  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!


周口头条版权及免责声明:

1、凡本网注明 “来源:XXX(非周口头条)”的稿件和图片作品,系我方转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。

2、如因稿件和图片作品的内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请在15个工作日内告知我方。

※ 有关稿件版权及合作事宜请联系: QQ 234765998

本站:周口头条(微信/QQ号:234765998),转载请保留出处和链接!

地址:

必填

选填

选填

◎已有 0 人评论,请发表您的观点。