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将虚幻拽进现实隐形材料

  这件隐身衣严格来说更像是一块长方形的毯子,可以与不同环境的背景融为一体,而在隐身衣背后的女子,被遮挡的身体部位已经全部隐形。图片来源:加拿大超级隐形生物科技公司

  风靡全球的哈利·波特曾凭借隐身衣走过各种险境。现实中的科研人员,这些年来一直试图证明,隐身衣不仅仅是存在于霍格沃茨学院——“麻瓜”们发明的隐身材料,或许也能将电影桥段变为现实,并应用于更广泛的领域。

  ■记者 童岱

  前不久,在美国加利福尼亚州长滩举行的TED2013会议上,来自新加坡南洋理工大学的物理学副教授张柏乐表演了一项好玩的技术。他将两片方解石(能弯曲光线的盐酸盐矿物)粘贴在一个盒子上,让盒子背后一个卷起的便利贴消失不见,但能看到其后面的背景,形成了奇妙的隐身效果。

  在今年更早一段时间,加拿大超级隐形生物科技公司公布了其新品——“量子隐身衣”,隐身的效果令人咂舌,但只是通过几张图片展示,很是让人怀疑

  量子隐形材料令人心存疑惑

  记者在该公司的官方网站上看到了“量子隐身衣”的模拟效果图,这件隐身衣严格来说更像是一块长方形的毯子,可以与不同环境的背景融为一体,而在隐身衣背后的女子,被遮挡的身体部位已经全部隐形。

  在其官网发布的一份声明中谈到,量子隐形材料可以弯曲光线,不仅能骗过肉眼,在军用夜视镜、红外线和热成像技术的探测下也能够成功隐身。并且这种技术不需要借助相机、电池,或者是镜子,质量很轻,成本也不昂贵。

  同时,该公司总裁盖伊·克拉默还声称,美国和加拿大两个独立的军事团体,以及美国联邦紧急事务响应小组(反恐)的两个命令组已经看到了实际的材料。这种材料若应用于军队,不仅能帮助特种部队在白天进行突袭行动,还能帮助士兵在遭遇险境时顺利逃生。此外,这种材料还有望在下一代隐形战斗机、潜艇和坦克上得到应用。

  然而,该公司除了效果图外,并没有披露更多的细节,这也让很多人对其是否真正拥有这项技术表示怀疑。克拉默对此的解释是,“出于安全方面的考虑,我们将不会向外界透露量子隐形材料的技术细节,但会将其展示给那些‘应该知道’的人”。

  “80后”研发的隐身衣

  “我不认为加拿大这家公司研发的隐形材料能让光线‘走弯路’,而且以目前已有的科技成果和相关理论也无法制作出大尺寸的隐形材料。”北京大学物理学院教授张家森在接受《中国科学报》采访时表示,因为从世界范围内来看,这方面的研究更多是集中在微米级别,并且是基础性研究,还要求特定的光线、材料和试验环境。

  深圳光启高等理工研究院院长刘若鹏是一名“80后”,也曾研究过隐身衣。当时他还在美国杜克大学攻读博士,他所在的研究团队将成果发表在2009年的美国《科学》杂志上。
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  他们当时研究的隐形材料,外形好似一条黄色的浴巾,由数以千计类似人造玻璃纤维般的“超材料”组合而成,这种材料能控制光线。

  研究人员通过一系列复杂的计算辅助,使得隐形材料可以引导微波“转向”,避开仪器探测,从而防止物体被发现。与光和雷达波一样,微波探测到物体的原理是物体阻挡了微波通过的途径,使其产生阴影,从而“显形”。而这种敷在物体表面的隐形材料,能引导微波“绕着走”。

  但刘若鹏自己也表示,这样的隐形材料仅限于微波段,而不是让人视若无物,要将其推广到光波段,在可见光内达到肉眼的隐形效果,还有很长的路要走。

  然而,隐形材料都存在一个问题:由于光线“落跑”,藏身于隐身衣内的人也看不见外部世界,所以隐形斗篷还需要配一双“眼睛”。2008年9月,上海交通大学与香港科技大学合作提出了“反隐形斗篷理论”,当一件隐身衣让周围的光线弯曲之后,接触到反隐形斗篷的任何区域能够让一部分光线回到原来的状态,从而让它可见。这样在隐身衣与反隐形斗篷的匹配下,可以让隐藏在隐身衣内的人观察外界情况。

  让光线“走”上扭曲路径

  要想彻底隐身,就得掌握光线的行进方向。其理想的效果是,当光线通过需要隐身的物体时,能够绕过该物体,不仅需要减少散射,还要将物体背后的所有视觉信息传递给看它的人。

  早在1967年,俄罗斯科学家菲斯拉格首先提出了负折射率材料的概念,由于光在空气中传播速度最快,自然界中所有的材料都是正折射率材料。

  张家森谈到,要想让光线弯曲,就不得不提负折射率材料。这是一类人工材料,一般采用金属,让其内部形成一个小的环流,产生一个负的磁导率,再结合负的介电常数,就形成了负折射,这也是隐形材料中最重要的理论基础之一。

  2000年,美国克大学教授戴维·史密斯领导的研究小组研制出一种网格状材料,并称它可以改变光的传播路线。2003年,全球数座实验室先后确认了史密斯小组的研究结果。这一突破自然法则的发明为隐身衣的研制奠定了基础。

  在2006年6月的《科学》杂志上,伦敦帝国学院的帕德瑞与美国杜克大学的史密斯小组联合发表论文,阐述了隐身衣的设计理念。他们计算出隐形材料在各点的介电常数与磁导率,使得电磁波在隐身材料表面如流水般淌过,隐于其中的物体完全没有得到电磁波的干扰。

  史密斯以流水为例来说明隐身衣的功能,把一块石头放到小溪中,溪流会绕过石头继续向前,隐身衣的工作原理与其基本相似。隐身衣可以把照射过来的光线引导到其他方向,因此你根本看不到隐身衣以及藏在里面的东西。

  绕开弱点另辟蹊径

  不少隐形材料对光有色散作用,就像是我们看到的彩虹,由于许多材料对于所有波长的光偏折率不同,就会出现水珠将光线色散成为彩虹那样的现象,如此一来,隐身就成了难题。要想解决这个问题,还要想法使材料能对所有的可见光的偏折一样。

  而且,不完善的隐形材料对光有损耗,就是会吸收部分光线,导致就像戴着墨镜看东西一样,人的眼前还是会出现发暗的一团东西。而且隐形材料和遮挡物体形成的阴影问题,也还没有合适的解决办法,加拿大公司展示的隐形材料图片中,就可以看到发暗的部分和明显的阴影。
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  至于红外线和热成像技术也无法探测的隐形材料,张家森认为,相对于实现在可见光里隐形,做到这点的技术难度倒是不大,因为这些的波长相对于可见光更长。“现在已有的隐身衣,看起来效果更好的往往借助了摄像机或照相机等工具。”

  日本科学家田智前教授就退而求其次,利用视觉伪装技术,制造了视觉效果很棒的隐身衣。在视频网站上很容易找到这种隐身衣的展示,人们的视线可以轻易穿过被隐身衣遮盖的身体,看清其背后的树木和车辆。

  如何将自然景象变成三维立体影像,并难以分辨现实呢?事实上,这种隐身衣并不能让光线“转弯”,而是将一种回射材料涂抹于衣服上,利用摄像机将人体身后的景象拍摄下来,联线电脑再投影到衣服上。

  回射材料将摄像机拍摄的画面实时投射出来的同时,为保证影像与环境影像的自然光类似,科研人员还设计了一个特殊的镜子,让两者紧密结合,这样一来,观察者的肉眼就可以被蒙骗了。

  如今,利用视觉伪装技术与增强现实技术制作的新型电子游戏已经非常热门,使得现实与虚拟的世界变得界限模糊,让玩家们醉心不已。

  无论是军事领域还是生活领域,“麻瓜”们研发的隐形材料终将展现其价值。哈利·波特的隐身衣,终将被科研人员从虚幻的霍格沃茨学院拽进现实。


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