隱身技術(shù)作為超材料的典型應(yīng)用之一，自提出以來便引發(fā)了廣泛的研究興趣。從光學(xué)、聲學(xué)到靜電學(xué)和熱擴(kuò)散，隱身斗篷的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。然而，隱身技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨著一個(gè)重大挑戰(zhàn)：現(xiàn)有的被動(dòng)隱身設(shè)備對(duì)背景折射率的變化極為敏感，無法在環(huán)境背景變化的情況下保持穩(wěn)定的隱身效果。這種強(qiáng)烈的背景依賴性嚴(yán)重限制了隱身設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用。

近日，南京航空航天大學(xué)羅宇教授的研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合新加坡國立大學(xué)仇成偉教授和東南大學(xué)張婧婧教授，在國際知名期刊Advanced Materials上發(fā)表了一項(xiàng)題為“Transformation‐Invariant Laplacian Metadevices Robust to Environmental Variation”的突破性研究。該研究提出了一種新型的能免疫環(huán)境變化的超材料（Transformation-Invariant Metamaterials, TIMs），能夠在環(huán)境背景變化的情況下實(shí)現(xiàn)理想的隱身效果。這一成果不僅在理論上取得了重要突破，還通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，為未來復(fù)雜環(huán)境下的隱身技術(shù)的發(fā)展開辟了新的道路。航天電器上海研究院的黃垚博士為論文的第一作者，東南大學(xué)的張婧婧教授為共同第一作者；羅宇教授、仇成偉教授、張婧婧教授為論文通訊作者。

在這項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)提出了“不變性超材料”（TIMs）的概念，并將其應(yīng)用于靜態(tài)場系統(tǒng)。研究表明，對(duì)于任何由拉普拉斯方程控制的物理場，通過精心設(shè)計(jì)的TIMs可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境變化具有魯棒性的隱身斗篷。這一發(fā)現(xiàn)不僅解決了隱身技術(shù)中的背景依賴性問題，還為其他靜態(tài)場系統(tǒng)（如靜磁場、熱擴(kuò)散等）的應(yīng)用提供了新的思路。

研究團(tuán)隊(duì)首先從二維場景出發(fā)，探討了TIMs在靜態(tài)場系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換原理。TIMs具有極高的各向異性，其主材料參數(shù)（如電導(dǎo)率或磁導(dǎo)率）在任意坐標(biāo)變換下保持不變。這種特性使得TIMs可以通過簡單的材料堆疊和定向來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的變換光學(xué)設(shè)備。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于TIMs的直流（DC）隱身斗篷，并通過近場測量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該隱身斗篷能夠在背景電導(dǎo)率從22到859 kS/m的范圍內(nèi)成功隱藏大尺寸物體，并且在任意電場源下均表現(xiàn)出背景免疫的隱身效果。這一設(shè)計(jì)策略不僅適用于直流場，還可以推廣到靜磁場、熱擴(kuò)散等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。

為了驗(yàn)證理論預(yù)測，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過COMSOL軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究團(tuán)隊(duì)比較了雙層隱身斗篷和基于TIMs的隱身斗篷在不同圓柱諧波入射下的散射系數(shù)。結(jié)果表明，傳統(tǒng)的雙層隱身斗篷只能在特定的圓柱諧波入射下實(shí)現(xiàn)隱身效果，而基于TIMs的隱身斗篷則能夠在所有圓柱諧波入射下消除散射，表現(xiàn)出極強(qiáng)的源獨(dú)立性。

圖1. 基于 TIM 的直流隱形斗篷設(shè)計(jì)原理。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)部分，研究團(tuán)隊(duì)利用均勻場和四極場（n=1和n=2）進(jìn)行了系列實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，基于TIMs的隱身斗篷能夠有效消除物體的散射，恢復(fù)背景電場的電位分布。此外，研究團(tuán)隊(duì)還通過旋轉(zhuǎn)樣品驗(yàn)證了隱身斗篷的全向有效性，結(jié)果表明該隱身斗篷在任意入射場下均表現(xiàn)出優(yōu)異的隱身性能。

圖2. 基于TIM的直流隱身斗篷實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

環(huán)境魯棒性

研究團(tuán)隊(duì)還通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于TIMs的隱身斗篷在背景變化下的魯棒性。理論計(jì)算表明，基于TIMs的隱身斗篷在背景電導(dǎo)率從2到7000 kS/m的范圍內(nèi)均表現(xiàn)出極低的散射系數(shù)，表明其對(duì)背景變化具有極強(qiáng)的魯棒性。相比之下，傳統(tǒng)的雙層和變換光學(xué)（TO）隱身斗篷在背景電導(dǎo)率偏離設(shè)計(jì)值時(shí)，散射系數(shù)顯著增加。

實(shí)驗(yàn)部分，研究團(tuán)隊(duì)通過使用兩種不同電導(dǎo)率的碳布（W1S1002和W1S1009）驗(yàn)證了隱身斗篷在背景變化下的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，基于TIMs的隱身斗篷在兩種背景電導(dǎo)率下均能有效恢復(fù)電位分布，表現(xiàn)出極強(qiáng)的背景免疫性。

圖3. 基于TIM的隱身斗篷對(duì)環(huán)境魯棒性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

三維擴(kuò)展與未來應(yīng)用

研究團(tuán)隊(duì)還將該方法擴(kuò)展到三維場景，設(shè)計(jì)了一種基于TIMs的三維直流隱身斗篷。通過三維雙線性坐標(biāo)變換，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙錐形物體的隱身效果。數(shù)值模擬結(jié)果表明，基于TIMs的三維隱身斗篷在所有圓柱諧波入射下均表現(xiàn)出極低的散射系數(shù)，而傳統(tǒng)的三維雙層隱身斗篷則在高階圓柱諧波入射下表現(xiàn)出顯著的散射。

研究團(tuán)隊(duì)指出，基于TIMs的設(shè)計(jì)方法不僅適用于拉普拉斯方程控制的物理場，還可以推廣到由亥姆霍茲方程控制的光學(xué)領(lǐng)域。通過數(shù)值模擬，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了基于TIMs的光學(xué)隱身斗篷在不同源條件、背景介質(zhì)和波長下的性能，結(jié)果表明其與拉普拉斯隱身斗篷具有一致的性能。

圖5. 該方案的三維拓展

結(jié)論與展望

該研究提出了一種基于不變性超材料（TIMs）的全向理想隱身斗篷設(shè)計(jì)范式，成功解決了傳統(tǒng)變換光學(xué)和散射抵消方法中的源依賴性和環(huán)境敏感性問題。通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)證明了基于TIMs的隱身斗篷在直流場和靜磁場中的優(yōu)異性能，并探討了其在三維場景中的應(yīng)用潛力。

這一成果不僅在理論上取得了重要突破，還為未來隱身技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。研究團(tuán)隊(duì)表示，基于TIMs的設(shè)計(jì)方法具有廣泛的應(yīng)用前景，可以應(yīng)用于直流場、靜磁場、熱擴(kuò)散、物質(zhì)波等多種物理場中，為傳感、成像、通信等領(lǐng)域帶來革命性的技術(shù)進(jìn)步。

致謝

本研究得到了中國國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFA1404903）、中國國家自然科學(xué)基金（62271139, U21A20459）、江蘇省特聘教授基金（1004-YQR24010）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（NE2024007）、新加坡國家研究基金會(huì)競爭性研究計(jì)劃（NRF-CRP22-2019-0006和NRF-CRP23-2019-0007）、上海市浦江人才計(jì)劃（23PJ1421200）、新加坡國立大學(xué)蘇州研究院納米能源與環(huán)境平臺(tái)以及江蘇省科技計(jì)劃項(xiàng)目（BZ2022056）的資助。

論文鏈接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202412929