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两种“隐身术”

来源：晰数塔互联网快讯时间：2021年05月16日 04:48

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：毛尖尖，题图来自：《星际迷航》

一

你想隐身吗？

隐形装置一直以来都是科幻和虚构故事中非常受欢迎的元素，从《星际迷航》里罗慕伦人的隐形装置，到哈利·波特的隐形斗篷，隐形一直在我们想象的世界中占据了一个重要的位置。

《星际迷航》中罗慕伦人的隐形装置。| 图片来源：《星际迷航》via Fandom.com

近年来，科学家和工程师一直在探索如何将科幻变为现实。目前，最接近想象的一种“隐身”方法是借助超材料。一些超材料具有负折射率，能够使光线向相反的方向弯曲，甚至有能力构造出引导光波绕过物体周围的结构，因此从理论上来说，它们有潜力使物体看起来好像不存在一样。

超材料示意图。| 图片来源：原理

当然，目前的技术仍然很有局限性，比如大多数超材料只能局限于弯曲特定波长的光，而这些波长往往远超出可见光的范围。因此，想要达到“隐形斗篷”的效果还有很长一段距离。

虽然视觉上的隐形还很难达到，但我们还可以在别的方面让物体不被看见。举个例子，如果在流动的水中放上一颗小石子，有什么方法能让这颗石子不被发现吗？或者，在一台测量红外辐射的热相机的镜头里，怎么才能让物体“隐形”？

近日，两项新的科学研究在解决这些问题上迈出了一大步。

一组由应用数学家和物理学家组成的国际团队在《皇家学会学报A：数学、物理和工程科学》上发表论文，他们报道了一种理论方法，能够模拟物体的热特征，也可以让物体在热测量中变得不可见。

而另一组科学家，则是通过向物体周围的流体中注入动量，让处于流体中的物体被“隐藏”起来，这种技术同样可以抵消作用在物体上的水动力，从而实现“隐形”和“防护”模式之间的任意切换。

二

就像我们的眼睛能够看到发射或反射可见光的物体一样，热成像摄像机也能看到发射或反射红外辐射的物体。如果一个物体周围的热源可以模拟出物体不存在时的热传递状态，那么这个物体就不会被热成像摄像机看见。

研究团队采用的新方法是借助热泵而非特殊制作的材料来隐藏物体。热泵是一种可以传输热量的装置，事实上，我们每个人的家中都有热泵，那就是冰箱——为了冷却食物，这种家用热泵将热量从内部输送到外部。科学家表示，使用热泵比使用特殊制作的材料要灵活得多，它甚至可以在温度实时变化的情况下对热传递进行微调。

研究人员进行了必要的数学研究后证明，在一个物体周围有一圈热泵的情况下，就有可能在热学层面隐藏一个物体，或者模拟出另一个物体的热特征。换句话说，通过巧妙地安排热泵，它不仅可以使物体隐形，还能让一样东西从热测量的角度看起来像是另一个完全不同的东西，比如让一个苹果“看”起来像个橘子。

这幅示意图展示了借助围绕排列的帕尔贴元件（图中红蓝相间），能够将一个二维平面区域Ω中的风筝（图中黑色）在热测量中“隐形”。| 图片来源：Cassier, M. et al.

目前，这项研究仍停留在理论层面。然而，借助一种被称为帕尔贴元件的小型热泵，这种理论方法是现有的技术范围内能够实现的。帕尔贴元件能够利用电流通过金属连接点来传输热量，目前已经广泛应用在商品和工业领域。

三

在第二项研究中，科学家瞄准的是流体中的物体“隐形”。与视觉隐形和热成像隐形有些类似之处，流体动力隐形的原理就是掩盖物体对周围流体流动的影响。例如，具有特定结构的超材料可以使物体周围的流体发生偏转，从而改变流体与结构的相互作用。这是一种被动方法。

而新研究使用了一种不同的方法，研究人员没有利用被动结构，而是借助了被称为电渗（electroosmosis）的机制，它可以主动向流体中注入动量。

红色圆圈代表栅电极，研究利用电渗机制主动向流体中注入动量，从而使得物体（灰色）在流体中“隐形”。| 图片来源：Bacheva/Technion – Israel Institute of Technology; IBM Research Europe

该团队从理论上描述了在微尺度流动中针对一系列物体形状的方法，并在微流控室中进行了实验验证。这种技术可以让他们通过电场控制周围流体的动量，在“隐形”模式下，隐形区域外的流动就仿佛物体不存在一般。

研究人员还可以切换到操纵物体周围的流体流动的模式，从而消除流体对物体施加的任何流体动力。他们称这种力的抵消为“防护”模式。这就好像罗慕伦人的装置一样，既能“隐形”，也能“防御”。

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研究人员可以在隐形模式（cloaking mode）和防护模式（shielding mode）之间任意切换，达到不同效果。| 图片来源：Bacheva/Technion – Israel Institute of Technology; IBM Research Europe

四

对这两项研究来说，研究人员相信它们拥有广阔的应用前景。

他们设想，对热控制的研究可以用来精确控制物体在空间和时间上的温度，例如它可以隔离电路中产生热量的部件（例如电源），防止其干扰热敏部件（比如热成像摄像机）；也能够应用在需要精确控制温度的工业过程中，例如控制材料的冷却，使其以特定的方式结晶。

一些科学家认为，这一结果也可以应用于精确给药，因为热的传递和扩散的数学模型，与药物输送和扩散的模型非常相似。此外，它也有潜力拓展到视觉隐身，比如光在雾这样的漫射介质中的行为。

而控制流体的行为，则可以充当“镊子”，在流体中夹住细胞等柔软的物体。

参考来源：

https://attheu.utah.edu/facultystaff/thermal-cloak/

https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspa.2020.0941

https://physics.aps.org/articles/v14/s57

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：毛尖尖