隐身装置让光线拐个弯

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1、主编： 魏刚编辑： 胡珉琦校对： 么辰E-mail押2013 年 11 月 15 日星期五Tel押 （010） 6258072112新知几块特制玻璃， 经过有序地粘合， 形成一个 六边形装置， 看上去没有什么特别之处。但你只 要将笔插进其中心位置， 就会发现， 笔不见了！ 值得注意的是， 这个装置是在可见光波段的 生物隐形器件。 它是由浙江大学电子信息技术与 系统研究所教授陈红胜课题组与新加坡南洋理 工大学教授张柏乐等研究团队合作取得的新进 展， 相关成果发表在最近的 自然通讯 上。小猫、 小鱼 “被” 隐身“目前我们能做到的隐身装置是分米级别 的。 ” 博士生郑斌告诉记者， 他在陈红胜课题组

2、担 负实验工作。去年 6 月， 他们就曾尝试让一只猫 “消失” 在装置中。 “当时那小家伙在工作间里跑 来跑去可闹腾了， 不过最终还是满足了我们的实 验需求。” 为了探寻隐身装置对于不同生命环境的适 应性， 他们开发了一套适于让水中鱼儿隐身的装 置， 陈红胜课题组还在网上公布了他们的实验视 频。 从视频中可以看到， 当小鱼游进装置时， 进入 装置的身体已经发生隐形， 而露在装置外面的尾 巴却提示了它的位置。 “我们目前开发的隐身装置， 不仅可以让猫、 鱼这种大的生物藏匿于可见光之中，它们还能和 隐身装置一起活动，但隐形的效果不会有任何影 响。 ” 陈红胜在接受 中国科学报 记者采访时表示。 “

3、光线的相位和微略延时对于人的肉眼而言 是难以觉察的， 所以我们选择了更容易得到的材 料， 来做相关装置， 降低了隐身装置的设计和实 现难度。” 郑斌说。 2012 年，陈红胜课题组曾利用一种双折射 晶体研发了一套柱形隐身装置， 可以让一根筷子 粗细的物体 “隐身” 。接下来的时间， 他们对实现 隐身的方案进行了重新评估和设计， 最终找到了 更合适的思路。 “后来我们找到了一种可以大规模制备的玻 璃作为隐身装置的材料。 ” 郑斌说， 普通玻璃的折 射率在 1.51.9，而他们采用的特殊玻璃的折射 率仅为 0.8，这使得隐身装置的直径从厘米级扩 展到了分米级， 并且可以在自然光下实现隐身效 果。“

4、曲线救国” 达到目的“人的肉眼就好比 感应器 ， 能接受到从物 体上散射出来的电磁波， 从而识别散射源存在的 物体。 ” 陈红胜说， 这是显形的原理。 要实现隐形， 就得想办法让目标不散射出电磁波， 从而让人眼 “失效” 。 他们的这项研究起始于 2006 年。 那一年， 英国帝国理工学院教授约翰 潘得利完成了关于隐 身衣设计的殿堂级理论， 相关成果发表在 科学 杂志上。 潘得利主张利用坐标变换的方法去设计隐 身衣， 简而言之， 就是在不反射也不吸收电磁波 的基础上， 使其绕过需要被隐身的区域， 按照原 来的方向继续行进， 从而让物体实现完全隐形的 效果。 事实上， 要实现潘得利的理论， 就需

5、要对隐 身材料的折射率进行改造， 让光线在物体面前拐 弯后按原方向传播。就好比溪水中的水流， 遇到 石块阻挡会拐弯后再汇聚继续向下游流动。 然而，这一理论所针对的是完美的隐身衣， 所有的光线必须保持相同相位 （相位是指光在前 进时， 光子振动所呈现的交替波形变化） 。 也就是 说， 进入隐身衣的光线， 其传播速度必须比外部 的光线更快， 这就对隐身衣的材料提出了更高要 求对不同光线具有不同的折射率。陈红胜坦言，完美隐身衣的制作难度太大， 需要相当精密的制备工艺和特殊的纳米级材料， 以目前的科技水平还无法实现。但他们想出了 “曲线救国” 的一招。 近两年来， 通过简化潘得利的理论， 课题组 提出

6、了一种新的设计方法， 就是通过均匀线性光 学变换的方法，设计并简化隐身衣的相关参数， 最终设计出了在可见光波段下能实现隐身的多 边形装置。隐身性能有待改进“尽管不是将理论中的隐身衣变为现实， 但 他们的研究思路非常新颖。” 北京大学物理学院 现代光学研究所教授张家森在接受中国科学 报 记者采访时表示， 从陈红胜课题组展示的视 频和图片来看， 这种隐身装置更多是利用了棱镜 折射的原理。 在他看来，这种装置需要改进的地方还很 多。比如， 尽管可以让置于装置中的物件或生物 隐身， 但装置本身是可以看得到的。 事实上， 这一隐身装置还只能在特定角度实 现理想的隐身效果， 比如六边形隐身装置在正对 六条

7、棱角的地方具有不错的效果。 陈红胜团队的 下一步计划，一方面是提升装置的隐身性能， 增 加隐身的角度，另一方面是减轻装置的重量， 扩 大装置的直径。 隐身衣理论体系的提出者潘得利在接受英 国 卫报 采访时表示， 陈红胜课题组取得的进展 是隐身衣研究领域里 “一个真正的进步” ， 并认为 “他们剔除了透射波相位要求保持一致的条件， 实现了尺度相当大的可见光隐身器件。” 对于隐身装置的研究，近年来已成为光学、 材料学、 物理学及交叉学科的前沿和热门研究领域之一。大体分为两个类别， 一是地毯式隐身装 置， 比如将物体隐藏于其中， 对于外部的观察者 而言， 就像是看到正常的地面一样。但这类器件 不能脱

8、离地面，其主要是基于光的反射原理， 参 数上更容易实现。 二是可以脱离地面移动的隐身装置， 如同哈 利波特式的隐身衣。 这类隐身装置可以脱离地面 移动， 但参数要求更加苛刻， 因为要求光线能够 绕过装置中间的隐身区域。 目前国际上这部分的 实验工作大部分只是集中在微波波段。 陈红胜课题组开发的隐身装置便是上述的 第二种类型， 可见光波段隐身衣的研究也不会永 远停留在理论层面。 隐身装置性能的提高目前还 存在技术瓶颈和一定的局限性，但利用让光线 “拐弯前行” 的原理， 是让隐身技术真正走入生活 领域的契机。“今后， 随着隐身装置的性能进一步 提高， 在安全、 娱乐和监控领域都能有所应用。” 陈红

9、胜说。隐形材料助推新型透镜研发相比隐身衣的噱头， 隐形材料的应用或许 更为重要。美国加州大学伯克利分校校长、 美 国 “国家纳米科学研究中心” 主任、 华人科学家 张翔曾表示， 他自己最看重的其实并不是隐身 衣， 而是一个很快就能 “真刀真枪” 用上的领 域透镜。 负折射材料可在纳米尺度上让可见光和近 红外光弯曲， 假如下一步能在正常尺度上实现这 一奇观， 隐形效果就有望成为现实。这样的负折 射材料在透镜领域的应用将会对社会产生十分 深远的影响。 芯片等各类精细器件的制造如今都离不开 透镜的光刻技术， 怎样才能把器件做小， 是个很 关键的问题。 目前很多器件的研发似乎都没有什 么重大突破， 就

10、是因为透镜的衍射极限没办法再 降低。 借助负折射材料制作的透镜， 研发人员就可 以在极小的尺度上工作，制造出更小的电路， 这 将意味着芯片的存储能力、 集成能力会向前大大 推进。高性能计算机的纳米级集成电路、 更高存 储量的 DVD 等也可能接踵而来。 负折射透镜也有望给生物学等科研领域带 来重大变化。 现有的显微镜可以让科学家看到单 个细胞， 但细胞里面是如何运转的， 却无从知晓。 有了衍射极限大大缩小的负折射透镜， 科学家将 有望窥探活细胞的内部， 这对于研究病毒入侵细 胞的机制、 新药筛选等都会产生重大影响。 （曾笑生）特斯拉电动汽车 （TESLA） 的名字取自美国天 才物理学家、 电力

11、工程师尼古拉 特斯拉的姓。 敢以 大名鼎鼎的 “特斯拉” 冠名， 其产品当然绝非平凡之 辈。特斯拉汽车的核心设计理念即为 “将跑车和新 能源相结合” ， 而且它的首批客户则锁定为那些 “有 环保意识的高收入人士和社会名流” 。 事实证明， 布 拉德 皮特、 乔治 布鲁尼、 施瓦辛格以及谷歌的两 位创始人， 都在后来成了 TESLA 的客户。 2003 年 7 月，特斯拉汽车公司成立于美国 硅谷。2004 年 2 月， Elon Musk 注资 630 万美元 开启特斯拉的高端电动汽车的开发。 仅仅 10 年， 特斯拉汽车公司已成长为市值约 118 亿美元的 高端电动汽车巨头。 然而，第一辆特斯

12、拉电动汽车的投产并非一 帆风顺。 TESLA 起初重技术研发轻生产规划、 重性能提升轻成本控制，这直接导致了距离预定投产 日期仅剩下 2 个月时， TESLA 还没有向零部件供 应商提供 Roadster（TESLA 首款车型）的技术规 格， 核心的部件变速箱也没能研制出来。直至后来 Musk 的团队选取优化一挡变速器的折中方案， 才 于 2008 年 2 月正式交付了第一辆 Tesla Roadster。 Tesla Roadste 一出现便成为特斯拉电动汽 车的经典。它在车体设计方面借鉴了英国莲花 Elise 跑车的设计理念， 外部车身体板采用了碳纤 维材料构造， 底盘则由模压铝构成。这不

13、仅赋予 了 Tesla Roadste 一个超级时尚的外观造型， 而且 还确保了车身的坚固性。此外， Roadster 的电动 机最大转速可达到 13000 转 / 分， 能够在 4 秒内 完成百公里提速。 另外，全新 Tesla Roadster 还采用了极为先 进的锂离子能量存储系统， 一次充电后的巡航里 程可达 352 公里。 其所配备的能量再生制动系统 还可在车子减速时为锂离子电池组充电， 从而使 汽车在行走途中能够获得能量补给。 2012 年 6 月， 特斯拉 S 型四门轿跑在美国交 付零售， 2013 年 8 月在欧洲发布。特斯拉 S 型分 为多种档次的型号， 最高档次型号内置 8

14、5kW h 锂离子电池组。经美国国家环境保护局 （EPA） 评定， 高性能型特斯拉 S 型单次充电可以行走 265 英里 （约合 426 公里） ， 超越 Tesla Roadster 成为 目前市面上续航距离最远的纯电动车。 特斯拉 S 型的基础型一次充电后可巡航 240 公里， 由 0 加速到 97km/h 仅需 5.6 秒。 此外， 特斯拉计划推出小型款， 内置 40 kWh 电池， 预 计将提供 160 英里 （260 公里） 的续航里程， 专门 针对低端市场。 电动汽车的电池充电问题是个致命伤。 为了 摆脱产品短板，特斯拉纯电动车目前拟定了 “5 分钟超快速充电” 的目标。 特斯拉首

15、席技术官 JB Straubel 表示，该公司正在试图将汽车的充电时 间缩减到前所未有的 “510 分钟” 。 目前，特斯拉的超级充电站只能在 30 分钟 内为 S 型电动车充到一半的电量， 但这仍然耗时太长。 特斯拉希望充电耗时不长于加满一辆汽油 车的时间。但目前， 快速充电还面临着过热和爆 炸的风险。 除了超快速充电之外， 特斯拉也在考虑超快 速的电池置换技术。当然， 如果充电的时间能被 压缩到 10 分钟之内，这种麻烦事自然就不必再 考虑了。 值得玩味的是， 新能源车将成为北京今后 4 年的宠儿。2014 年至 2017 年全市共配置机动车 指标 60 万个， 其中新能源车达到了 17

16、万， 占比 近三成。特斯拉电动汽车进入中国就差 “临门一 脚” 了。（赵鲁）隐身装置让光线 “拐个弯”姻本报记者 童岱速行机器曼 加 里 安号 前 途 未 卜姻 本 报 见 习 记 者 赵 广 立军事空间先锋科技“特斯拉” 的速度与激情在层出不穷的隐身技术中， 要达到不错的隐身效果难点非常多。 浙江大学陈红 胜课题组的一项最新科研成果显示， 要达到视觉效果， 除了让光线 “曲线前进” ， 或 者在可见光下实现隐身效果外， 还可以有更 “讨巧” 的办法。当 地 时 间 11 月 5 日 下 午， 印度 “曼加里安” 号火星 探测器发射升空，运载火箭 已将探测器送入地球同步轨 道。按计划， 探测器将绕地球 运行 2025 天后飞往火星。 作为印度火星探索的处 女航，该计划因筹备时间短 （仅 15 个月） 、成 本投 入低 （约为美国 NASA 同 类计划 的 1/6） ，引发了外界对探测 器能否抵达火星的质疑。 “曼 加里安” 号面临哪些挑战？它 能否冲破前路的凶险？运载火箭没大改进中国空间技术研