隱身衣(實現視覺隱身的物件)

人之所以能看到物體，是因為物體阻擋了光波通過。如果有一種材料敷在物體表面，能引著被物體阻擋的光波“繞著走”，那么光線就似乎沒有受到任何阻擋。在觀察者看來，物體就似乎變得“不存在”了，也就實現了視覺隱身。

所謂“隱身”，只是障眼法，實際上躲不過多波段電磁波的探測，能扭曲一種波的材料，對其他波長的電磁波就無效了。但通過一些改進，可以將視覺隱身的效果提高。

基本介紹

• 中文名：隱身衣
• 外文名：invisible cloak
• 介紹：實現視覺隱身的物件
• 現狀：尚未出現

技術構想

問世可能

美國和英國科學家現今完成了視覺隱對方發生的

美國杜克大學和英國倫敦帝國學院科學家的這一成果發表在新一期《科學》雜誌網路版上。他們說，視覺隱身的原理實際上是引導光波等“轉向”，如果能在現實中實現，它將在諸多領域得到套用。

技術瓶頸

衣服由無數小晶片組成，每個晶片有自己的處理器，並且可以調用所有人眼球的信息，可以成像，發光，散熱，製冷，透氣等。當穿著隱身衣的人出現的時候，衣服的每個晶片將觀察者原來看到的影像按照觀察者的視覺信息在你的位置成像；一些晶片模擬發光，將穿衣者產生的陰影效果除去(或抵消)；穿衣者周圍空氣由體溫帶來的影響也由晶片的製冷功能抵消；透氣散熱，這樣隱身衣可將整個人體都包括(當然其他的物體披上晶片組成的衣服也可以實現隱身效果)……

不易實現的因素：小晶片的功能使它的製作工藝不簡單，信息庫不夠發達不能將所有人每天每時每刻的視覺信息都考慮到。

成功可能

中科院物理研究所光物理實驗室研究人員告訴本報記者說，根據物理學界此前對隱身材料的研究和套用來看，開發出文中這種可以隱藏物體的“隱身衣”還是有可能的。

光物理學上的“隱身”是指在物體表面塗上一層特定材料，通過吸收其對應的特定波長，從而達到無法探測的效果。此前，這種光學原理已經在軍事上被廣泛運用。

比如在飛機或者潛艇上塗上可以阻斷紅外線的材料，雷達就很難探測到它們的存在。

不過，這種使可見光“隱身”的實際套用此前並不多見。由於紅外線具有更好的保密效果，現今利用比較廣泛的多為紅外線的隱身技術。

【中國研究人員提出新的“隱身衣”技術】

據了解，由於可見光中包含多種波長的光線，因此如果找到能夠吸收各種波長光線的材料絕非易事。因此，科學家開發出讓人類實現隱身的神奇斗篷尚需時日。

美國的隱身技術可以在人們的視線里隱藏物體，同時也使得物體裡面的人無法觀看外面。如今中國已經發明了一種稱之為反隱身層，從而解決了隱身衣技術帶來的物體內部對外禁止的問題。

在上海交通大學進行的性能測試中，理論上的反隱身可以適用於所有的物體當然也包括隱身衣內的物體，通過反隱身材料附在隱身衣上即可讓物體內的人們看到外面。

中國的反隱身層使用了各向異性的與隱身衣折射率相阻抗匹配的超材料。將反隱身材料貼在隱身衣上，一些光線可以按照在指定的路徑滲透進來，從而使得內部的觀察者可以看到外邊。

此項研究成果將在2008年9月15日舉行的Optics Express上線上公布。

材料製作

杜克大學教授戴維·史密斯等人說，要製造這種扭曲光波的材料，關鍵是材料的晶格結構特性，而不是其物質構成。他們從麥克斯韋方程出發，推導出了決定材料結構的一套方程式，人們可以按這套方程式來製造隱身材料。史密斯表示，他們有能力在18個月內製造出符合他們方程式描述的材料。

運用區域

視覺隱身材料可以用於軍事領域，讓軍事設施、部隊等從敵人眼前“徹底消失”。由於光波屬於電磁波的一種，按他們的方程式也可以設計出能讓其他波段電磁波“扭曲”的材料。比如，能讓微波扭曲的材料如果用於無線電通信，就可以減少某些物體對通信的阻礙。

原理

視覺偽裝

2004年，日本東京大學教授推出了一款寬大外衣，人們只需穿上這件外衣，就可以讓人“難以辨認”。

事實上，這款名為“隱身衣”的發明並非是真正的隱身，它只是利用“視覺偽裝”而達到讓人無法辨明的目的。

它是由回射性物質構成，具體的做法是在整個衣服上塗上了一層回射性物質，衣服上還裝配了照相機。

原理是將衣服後面的場景由攝影機拍攝下來，然後將圖像轉換到衣服前面的放映機上，再將影像投射到由特殊材料製成的衣料上。

相關技術

《科學》雜誌刊登06屆混合班劉若鵬院友成功實驗實現寬頻帶隱身斗篷。

美國杜克大學及中國東南大學的科學家近幾日宣布，他們已研製出一種可以扭曲微波的隱身斗篷。看來，實現《哈利波特》小說中的隱身斗篷的日子已經不遠。該成果在2009年1月16日的頂尖期刊美國《科學》雜誌刊登。

這種斗篷的運作秘訣就在於它能令微波的路徑變彎。它的設計如果完美，那么穿著的人或它覆蓋的建築物和工業用地都會隱身。這種斗篷其實以數千塊細小的“特異材料”片製成。這種人造纖維玻璃般的物料能控制光線。研究員透過一系列複雜的計算輔助，把這些“特異材料”片排列成可以“抓取”微波和令它們的路徑變彎。這種五十點八厘米乘以十厘米大、不足二點五厘米高、仿如一塊浴墊的斗篷，在罩著物件時能令微波彈離表面射向鏡面。斗篷能如水繞過鵝卵石而流般“愚弄”光波繞過一個物件。在正常情況下，光一照到物件，光就會彈離物件的表面，照射到肉眼去，從而令物件可見。而光的偏斜能令觀者看透物件後方，因而令物件隱形。

在2006年公開這種斗篷的原型的研究員、美國杜克大學電機及電腦工程教授Smith說：“原來的設計和最新的模型具有天差之別。新設計所掩蓋的波譜要廣闊得多，幾乎沒有界限，而且更容易接觸到紅外線和看得到的光。”

文章第一作者，該項目的負責人劉若鵬說：“斗篷使物件隱形的能力，能發展出其他各種隱身功能。關鍵的技術在於複雜的特異材料的設計”這種複雜的設計得益於劉若鵬等研究員長時間合作開發出來的特異材料快速設計系統，才使得成千上萬種複雜的電磁微結構在很短的時間內全部自動設計完成。“利用快速設計系統做出這件隱身斗篷只需要花幾天的時間，但是開發所有和這個工作相關的技術基礎，我們和東南大學崔鐵軍教授科研組合作開發了很多年。”劉若鵬說，“最終的突破更得益於來自杜克大學統計系的季春霖博士為我們引進了許多先進的Bayesian統計算法”

在同一領域進行研究的英國倫敦大學帝國學院理論物理學家約翰．彭德里爵士高度評價該工作的里程碑的地位並預期軍方可望在五年內利用這種技術來避免船艦和坦克被雷達的微波探測系統成功發現行蹤。普渡大學電子工程系教授Shalaeve說：“這種快速設計系統是一個極其關鍵的進展，如果沒有了這樣的系統，在這個領域裡將無法繼續開發這樣的工作。”

該項研究得到了多個單位機構的資助，其中包括美國空軍、InnovateHan Technology公司、中國自然科學基金、Raytheon Missile System公司等。

隱形條件

現今來說，這種材料在理論上也還存在諸多局限。例如，如果你躲在隱身衣裡面，別人看不到你的同時也意味著你看不到外面的任何東西。史密斯小組正在全力解決這一問題。此外，史密斯也承認，要想不被發現，躲在隱身衣裡面的人必須靜止不動。史密斯解釋說：“隱身衣以及裡面的東西不能改變形狀，如果穿上它揮舞手臂或者到處走，就無法做到隱身。”

有人擔心，如果大型建築物披上這種材料，那么豈不是很多人都會撞到牆壁。史密斯說：“這的確有點危險，但我想每個人可能都曾經撞到過透明的玻璃門吧。”

使用技術

讓光線改變方向

現今倫敦皇家大學物理學家帕德瑞和同事需要進一步完善隱身衣材料的製造工藝，這種材料可以讓所有可見光和電磁輻射繞路而行。使用這種材料製作的衣服可以讓光線改變方向，光線照在它身上，既不會發生反射，也不會產生陰影。

美國杜克大學教授戴維·史密斯以流水為例來說明隱身衣的功能，“把一塊石頭放到小溪中，溪流會繞過石頭繼續向前，隱身衣的工作原理與其基本相似。隱身衣可以把照射過來的光線引導到其他方向，因此你根本看不到隱身衣以及藏在裡面的東西”。

獲得資助

美國國防部曾大力支持。

此前，科學家一直認為光線的傳播都是有規律的，很難令其發生改變。2000年，史密斯領導的研究小組研製出一種格線狀材料，稱它可以改變光的傳播路線。2003年，全球數座實驗室先後確認了史密斯小組的研究結果，隨後《科學》雜誌將其列為當年的10大科學研究突破之一。這一突破自然法則的發明為隱身衣的研製奠定了基礎。

顯然，隱身衣是軍事的重要用途之一。正因為這個原因，美國國防部大力資助了史密斯小組的研究工作。據稱隱身材料可以用來隱藏偵察機，也可以保護進入敵軍陣地的特種部隊。史密斯小組還聲稱，對於一些有礙景觀的醜陋工廠或煉油廠等建築物，也可以包上一層隱身材料。還可以研發一些其他類型的隱身材料，用來改變地震波的方向，或者阻止放射性物質的泄漏。

人造海市蜃樓

這件“隱身衣”主要材料為金屬和電路板材料的混合物，比如陶瓷或光纖合成物等等。這種材料吸收了特定的光線，人的肉眼是感受不到比較微弱的光線，就好像物體不存在一樣。

這就像是海市蜃樓，在海市蜃樓中，熱量引起光線變化，隱去了天空中出現的影像後面延伸的道路。隱身衣的設計者大衛-施伊格稱：“我們創造了一個人造的海市蜃樓。它可以隱藏一些物體，讓觀察者從各個方向都無法察覺它的存在。”

這件“隱身衣”可以阻止探測物體的微波。像光線和雷達波一樣，微波遇到物體時通常會反射回來，所以儀器就會發現這種物體，形成一個可以探測到的影子。

而隱身衣使用的特殊材料，可以讓雷達波、光線或者其他的波繞過物體而不會反彈回來，進而達到不可視的效果。這就像是小河中的水流能夠繞過一塊平滑的岩石繼續向前流去而不會反彈回來一樣。

下步計畫

下一步要消滅“陰影”

不過這只是科學家“偷天換日”的第一步，今後科學家們還將對其進行改造和發展，從而製造出可以使人和其他物體“消失”的隱身衣。設計者稱：“這個隱身衣只是二維的，而且還投下了一個小小的陰影。我們下一步是做出三維的隱身衣並消滅所有陰影。”

人們能夠看到物體，是因為物體會將照射到其表面的光線分散開，並反射到人的眼睛裡。這個隱身衣既可以減少光線的反射，同時也可以減少物體的影子。不過，現今兩者還都沒有完全被隱藏起來。

據介紹，在理想情況下這兩者可完全“消失”，人們無法察覺到“隱身衣”和它隱藏物體的存在。

設計者稱：“目前，我們只是使物體的影子和它反射的光線不易被人眼發現。這意味著它的背影仍然能夠看得見，只不過是變暗了。今後我們還要改進它的結構，讓它成為徹底的隱身衣。”設計者還補充說，人們甚至可以想像這種材料能夠隱藏聲音，不會產生震動。

技術研究

納米織造隱身衣

納米級微小粒子組成的超材料可以讓光線拐彎，繞過障礙物。被超材料包裹的人，在不被看到的情況下看到外面。美國的材料學家關於超材料的發現和中國物理學家的反隱形材料研究，讓隱形不再遙不可及。

納米織造隱身衣

超材料的隱形把戲

弗拉吉米爾·沙拉耶夫（Vladminr Shalaev）造出了隱身衣。他不會魔術，也不懂魔法，身為美國印地安那州普渡大學的材料學專家，他通曉材料反射光線的秘密：“假如一樣東西反射的光線根本沒有到達你的眼睛會怎樣？就跟你背對著它一樣吧。”但是我們都知道怎樣看見背對著的東西——只要有一面鏡子幫助光線反射到我們的眼睛就成。“不過，即使你面對隱身斗篷，你還是看不見它。不僅如此，你會看到本應被它阻擋的東西。因為只要沒有光從它上面反射到你的眼睛，你就看不到它。”

所謂“超材料”就是超出自然界固有的普通性質，具有超常材料功能的人工複合材料。它們並不存在於自然界，而是完全由科學家們在實驗室研製出來。因此，科學家們儘可能根據需要賦予它們天然材料所不具備的超常物理性質，最終突破某些自然規律表現的限制。事實上，在自然界中確實存在著讓光反射異常的材料。例如天然蛋白石就因其具有不完全光子帶隙結構而有著強烈的反光，並且向不同的角度發射出不同的顏色光彩。這種光子帶隙結構在蝴蝶翅膀、孔雀羽毛以及海老鼠的毛也存在，正是它們使本來無色的生物體由於結構的發光而呈現出閃爍斑斕的色彩。

隱形和反隱形

隱形材料一直沒有被發現過，直到沙拉耶夫用人造原子、中繼原子等工程學方法製造出超材料。這種超材料具有在三維空間整齊布陣的微小粒子，而且它們的尺寸達到了納米級，在掃描探針顯微鏡觀察下呈現出有序的微觀結構：“當微觀結構的尺寸與光波的波長相當時，就能夠表現出某些光學和電磁學上的特異性。而我的材料結構比光波波長還小。”

事實上，普通的材料無論如何看似光滑，對於微粒子來說都好像雨點打在鳥巢體育場那樣大的粗糙核桃殼上一樣，總是會向各個角度產生反射。只有把結構做到比光子還要小，才有可能做出足以讓光線如同激流經過鵝卵石一般的流線體。沙拉耶夫正是這樣完成了他的隱身衣的材料。隨後，他依靠一排從中心點開始像一個圓形的梳子沿輪輻方向向外輻射的微型針，將光的折射和扭曲減少到幾乎為零，使得圍繞著隱身衣的光線發生彎曲，致使人們看不見斗篷。

2008 年10 月，沙拉耶夫在美國《科學》雜誌上把隱身衣的秘密公諸於世，同時向人們宣布：“只有超材料才能織就隱身衣。” 然而他志得意滿之際似乎忽略了一個事實：當隱身衣把他遮得嚴嚴實實的時候，他也成為一隻被縫在布袋裡的小白鼠。別人看不見他，而他也什麼都看不見。除非他挖兩個洞露出眼睛，但是兩顆懸在空中眨巴眨巴的大眼睛也足夠把觀眾們驚倒了。現今，必須再給隱身衣設計一副配套的墨鏡，才能做到完全隱身。

如果說，讓人看不到墨鏡的裡面就好比隱形技術；那么，讓戴墨鏡的人能清楚地看到外面則可以稱為反隱形技術。沙拉耶夫所沒有解決的反隱形技術其實早已開始被其他科學家關注。

2007 年11 月，上海交大的陳煥陽博士在美國《套用物理快報》上公布了他對抗隱形技術的研究結構。他和同事們設計出一種光學屬性與那些隱形斗篷完美匹配的材料：“用術語來說，就是一種各向異性負折射率材料，它的阻抗與隱形斗篷的正折射率相匹配。” 事實上，它的原理有點像是給手槍裝上消音器：用相同頻率的聲波的波峰來填補所發出的聲音的波谷，最終完全抵消空氣振動。其實，沙拉耶夫只要將這樣的反隱形材料貼在隱身衣上，就可以讓一些光線按照指定的路徑滲透進來，從而部分抵消隱身衣的效應。

陳煥陽和同事們研究的反隱形技術在隱身衣內產生了破壞隱身性能的效果，這已經初步解決了隱身衣內外之間無法通訊的問題。事實上，陳煥陽也同時在進行著隱形技術的研究，只不過不是為了做衣服。在他的構想中，可以利用隱形技術做出一道隱藏之門的設計：用隱形技術製作的材料置於大門的中間，就能讓門看上去像是和周圍的牆一樣；而在門內的人則能夠通過反隱形技術觀察到外面的人的一舉一動。這項技術也許將被開發于軍事領域，難怪美國前駐華武官在美《防務新聞》網站上援引此例驚呼未來中國將對美國的隱形武器構成巨大威脅。

研發成果

研發演示

2013年10月31日，浙江大學陳紅勝教授研究團隊工作人員演示一件“隱身”裝置的效果。當一支鉛筆被放入該裝置中時，鉛筆的中間部位“不見了”，但該部位的背景圖案仍然可見。

研究原理

一束光在該裝置內“轉彎”，但穿過裝置後仍按照原來的方向傳播。電磁波（包括光波）照射到物體時，會在物體上發生散射；散射的電磁波被接收後，就表明那裡存在物體。如果能讓電磁波“轉彎”，繞著物體走，這樣物體就能 “隱身”，陳紅勝團隊所進行的研究正是基於這樣的理念。

該團隊提出了一種可見光波段多邊形“隱身衣”的設計方法，理論上能夠實現在各個方向上的隱身效果。在實驗上，他們研製出一種六邊形柱狀“隱身衣”，其工作頻段可達整個光波段。另外，該團隊還製作出了微波段圓柱體隱身器件等。

（圖冊“中國浙大研出六邊形柱狀“隱身衣”參考資料：）

發展前景

雖然到2013年為止，“隱身衣”的技術還存在一定的局限性，電磁波隱身將是隱身技術真正走入生活領域的一個重大契機。

意義

陳紅勝團隊所進行的研究，不僅對“隱身衣”從理論走向實用起到了促進作用，還有效降低了其實現的複雜度。

陳紅勝團隊的成果大大降低了“隱身衣”的設計和實現難度，為“隱身衣”真正進入人們生活提供了重大契機。他們的研究表明，可見光波段的隱身衣研究不會止步於理論，不久的將來，“隱身衣”就有望在安全、娛樂和監控套用領域發揮作用。陳紅勝表示，團隊下一步將著力提升隱身的性能，如增加隱身角度，減輕裝置的重量等。

國外成果

據國外媒體報導，科學家張柏樂(Baile Zhang)在本周舉行的一項流行技術大會上揭開他的起源於《哈利-波特》小說的“隱身衣”技術，現今他已經變成街談巷議的話題。他表示，他研製的隱身衣與其說是一項徹底的物理學突破，不如說是一項興趣愛好。
張柏樂博士25日在美國加利福尼亞州長灘舉行的享有盛譽的TED2013 會議上展示了他的發明——“肉眼看不見的隱身衣”。儘管他的裝置只是一個盒子，而不是隱身衣，但二者的目的都一樣，都是為了彎曲物體周圍的光線，達到肉眼看不到的目的。張柏樂說，2010年他提出這種想法，並“只是為了好玩”製造了該裝置。他在上傳到YouTube的一段視頻上演示了該裝置，通過這個盒子讓一個捲起的便利貼消失不見了。只要便利貼位於隱身衣後面，人們就無法看到它。這段視頻上的演示與在TED2013上的演示不同。張柏樂稱，他把兩片方解石(一種能夠彎曲光線的碳酸鹽礦物)貼上在一起製成這個盒子。