隱身斗篷？中國科學(xué)家提出的遠(yuǎn)程隱身裝置首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)！

2019-06-13 13:56 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

還記得哈利波特隱形斗篷嗎？在光子學(xué)研究中，用斗篷將任意物體隱藏在距離物體較遠(yuǎn)的地方是一項(xiàng)獨(dú)特任務(wù)，盡管這種現(xiàn)象在實(shí)踐中尚未實(shí)現(xiàn)。

在最近發(fā)表在《光:科學(xué)與應(yīng)用》(Light: Science & Applications)上的一項(xiàng)研究中，微納電子與智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的陳天航等人提出了遠(yuǎn)程隱身裝置首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，該裝置可以使用直流頻率使位于特定距離的任何物體隱形。包括一個負(fù)電阻網(wǎng)絡(luò)與有源元件，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程功能的直流斗篷?；谠摼W(wǎng)絡(luò)，Chen等人能夠利用斗篷遠(yuǎn)程生成一個隱藏區(qū)域，而不扭曲遠(yuǎn)離被斗篷區(qū)域的電流。

博科園-科學(xué)科普：這樣物體就可以繼續(xù)與其環(huán)境交互。研究表明，任何隱藏區(qū)域物體對直流探測器來說都是不可見的，斗篷不需要事先知道該物體，因此可以隱藏任意物體。科學(xué)家們展示了這種遠(yuǎn)程隱身裝置的優(yōu)越性，它在未來的醫(yī)學(xué)或地質(zhì)研究中有潛在的應(yīng)用前景。轉(zhuǎn)換光學(xué)可以用來設(shè)計一種隱形斗篷，它可以引導(dǎo)電磁波繞過隱形區(qū)域而不受任何干擾。之前關(guān)于斗篷和幻覺裝置的研究涉及到將裝置包裹起來，防止它與外部環(huán)境的互動（作用）。為了解決這個問題，科學(xué)家們基于“反物體”的概念，提出了一種可以遠(yuǎn)距離隱藏物體的遠(yuǎn)程斗篷。

（圖示）左：兩種直流隱身原理圖。a)常規(guī)隱身和b)遠(yuǎn)程隱身。右：應(yīng)用變換的示意圖。(a)用背景媒體對虛擬空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分。(b)定義多重折疊變換后的物理空間網(wǎng)格。(c)從傳統(tǒng)斗篷到遠(yuǎn)程斗篷的轉(zhuǎn)變示意圖。圖片：Light: Science & Applications, doi: 10.1038/s41377-019-0141-2

實(shí)驗(yàn)結(jié)果是在一定距離上得到，而隱藏物體則保持了空間與背景環(huán)境的連續(xù)性。然而，這種“反物體”斗篷只針對已知尺寸或參數(shù)的隱藏物體設(shè)計，因此，物體尺寸、形狀及其位置的微小變化會影響入射場的精確恢復(fù)。因此，“反對象”不能像傳統(tǒng)斗篷那樣隱藏任意對象。為了克服這一限制，科學(xué)家們先前提出了一種多倍變換光學(xué)方法來設(shè)計遠(yuǎn)程隱身來隱藏任意形狀的物體。然而，這樣的設(shè)計需要雙負(fù)片材料，很難實(shí)現(xiàn)。因此，遠(yuǎn)程隱藏任意對象仍處于概念階段，還有待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在本研究中，Chen等人首次提出了一種遠(yuǎn)程隱身裝置的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，該裝置利用直流頻率用斗篷隱藏任意物體。

設(shè)計了具有多折變換光學(xué)元件的遠(yuǎn)程直流隱身裝置，并實(shí)現(xiàn)了帶有有源元件的負(fù)電阻網(wǎng)絡(luò)，為實(shí)現(xiàn)直流隱身的遠(yuǎn)程功能發(fā)揮了重要作用。隱形衣可以在不扭曲電流的情況下遠(yuǎn)程生成一個隱藏區(qū)域?？茖W(xué)家們展示了隱藏區(qū)域的不同物體是如何不可見。在實(shí)驗(yàn)設(shè)置中，Chen等人比較了兩種隱身方式；包括一個封閉，傳統(tǒng)斗篷和遠(yuǎn)程隱形在直流頻率。遠(yuǎn)程斗篷可以由一個元素或多個元素構(gòu)成，研究中以兩個元素為例。科學(xué)家們首先將自由空間轉(zhuǎn)化為一件方形斗篷，然后進(jìn)行第二次轉(zhuǎn)化，折疊方形斗篷以打開它。本研究中的隱區(qū)仍然保持了與背景環(huán)境的空間連續(xù)性，同時完全與外界的電流場隔離。

（圖示）在三種不同的情況下，模擬了電流從點(diǎn)源流過時的電位分布。a)只有均勻的各向同性背景，b)作為隱藏對象的圓形絕緣體，c)帶有遠(yuǎn)程斗篷的隱藏對象。d) y = - x - 0.45(m)線上的電勢。紫色圓圈和橙色虛線分別代表斗篷和背景情況，而紅線僅代表對象情況。圖片：Light: Science & Applications, doi: 10.1038/s41377-019-0141-2

使得隱區(qū)中的任意靜態(tài)物體都可以在不可見情況下自由地在區(qū)域內(nèi)移動。Chen等人報道的這種現(xiàn)象與之前的DC斗篷完全不同，之前的斗篷性能取決于隱藏物體的形狀和導(dǎo)電性?？茖W(xué)家們使用COMSOL Multiphysics軟件對隱身衣進(jìn)行了有限元分析模擬。模擬的電流從點(diǎn)源流過斗篷。Chen等人在模擬的右上角使用了一個穩(wěn)態(tài)電流源，在三種不同的場景下模擬了電流從點(diǎn)源流過的電位分布。為了驗(yàn)證斗篷與物體無關(guān)的性能，Chen等人測試了另外兩個隱藏的物體;方形絕緣體和圓形導(dǎo)體。

模擬不同隱藏對象或位置下的等電位線模式，當(dāng)電源放置在不同的位置時，中心物體有一個方形絕緣體、b個圓形導(dǎo)體和c個。圖片：Light: Science & Applications, doi: 10.1038/s41377-019-0141-2

測量了電勢，并與背景和物體單獨(dú)的情況進(jìn)行了比較，兩者之間有很好的一致性；表明隱身性能與物體的大小和形狀無關(guān)。為了演示遠(yuǎn)端隱身衣的全方位效果，Chen等人模擬了相對于隱身衣不同位置的穩(wěn)態(tài)電流源，隱身裝置仍按預(yù)期工作。然而，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)斗篷和物體之間的距離增加時，斗篷會包含更多的負(fù)參數(shù)。因此，在仿真過程中，計算復(fù)雜度和內(nèi)存消耗也隨之增加。總之，研究中生成的模擬提供了一個例子來驗(yàn)證遠(yuǎn)程斗篷的概念。為了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這一概念，Chen等人設(shè)計并制作了遠(yuǎn)程斗篷樣品。斗篷需要各向異性和負(fù)導(dǎo)電性才能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜介質(zhì)。

科學(xué)家們使用“基于網(wǎng)格”的變換光學(xué)設(shè)計各向異性電導(dǎo)率，同時使用帶有活性元素的負(fù)介質(zhì)設(shè)計負(fù)電導(dǎo)率。觀察到，直流負(fù)導(dǎo)電性材料提供了電位“上升”時，電流通過該材料。在直流頻率下，電阻器和電源可以組合在一起，并簡化為一個單一的電源與電源。為了實(shí)際實(shí)現(xiàn)這種有效的負(fù)介質(zhì)，科學(xué)家們用電壓跟隨器提供了所需的電勢。為了實(shí)際實(shí)施實(shí)驗(yàn)，他們用了四塊電路板來實(shí)現(xiàn)負(fù)電阻。為了驗(yàn)證該設(shè)備的性能，科學(xué)家們以60x60cm尺寸制作了整個電路板，并使用表面安裝的器件(SMD)電阻實(shí)現(xiàn)了所需的電導(dǎo)率。

（圖示）左:有效負(fù)介質(zhì)(電阻)示意圖。a)理想負(fù)電阻器。b)應(yīng)用阻抗匹配模塊等效負(fù)電阻。c)簡化雙源模塊。右:負(fù)介質(zhì)在直流頻率下的電路設(shè)計。(a)基于電壓跟隨器的泄壓電路陣列示意圖。(b)具有31個等效負(fù)電阻腳的預(yù)制PCB(印刷電路板)子電路。圖片：Light: Science & Applications, doi: 10.1038/s41377-019-0141-2.

然后設(shè)計了負(fù)極介質(zhì)、隱身物體和邊界匹配，并將獨(dú)立電路板與主板分開，便于更換?？茖W(xué)家們測量了三個不同隱藏物體的結(jié)果，包括圓形導(dǎo)體和方形絕緣體。結(jié)果表明，等電位線呈“圓形”，好像什么都沒有，表明實(shí)驗(yàn)設(shè)計在實(shí)際中工作正常。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可能的，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)置消除了不同隱藏對象造成的失真，以表明良好的隱藏功能。Chen等人對三次實(shí)驗(yàn)的電位衰減從源頭進(jìn)行了分析，結(jié)果與無目標(biāo)背景下的結(jié)果吻合較好，進(jìn)一步強(qiáng)化了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所提議的遠(yuǎn)程隱身衣的性能與目標(biāo)無關(guān)。

通過這種方式，Chen等人首次用直流頻率實(shí)驗(yàn)證明了一種適用于遠(yuǎn)距離任意物體的遠(yuǎn)程斗篷。由于使用的電子元件是直流靜態(tài)元件，因此隱形衣比那些設(shè)計成高頻的要穩(wěn)定得多。最重要的是，斗篷能夠在物體與周圍環(huán)境保持物理聯(lián)系時，借助有源元件引導(dǎo)隱藏物體周圍的電流。例如，這種任意的物體可以埋在地下，在一定距離的物體上安裝隱身裝置，使其在地質(zhì)電流傳感器下不可見，用于地質(zhì)研究。此外，這種隱形衣還可以在醫(yī)學(xué)上有潛在的應(yīng)用，以防止對植入體內(nèi)的設(shè)備干擾等。