隐身衣

隐身衣（Invisibility Cloak），别名隐形衣，指一种利用技术或者材料来使穿戴者难以被察觉的服装或者装备。

隐身衣最初从传说走向现实是在21世纪初期，从2006年英国物理学家Pendry等人发表了关于隐形的论文，到2009年美国科学家验证了地毯式光学隐身衣的可能性，再到2020年中国科学家设计出了新一代智能毯式超表面隐身衣，世界各国积极的研究发展，让隐身衣成为了一个十分前沿且热门的研究领域。隐身衣主要类型有电磁波隐身衣和光学隐身衣，关键技术在于一种能避开光线和物体周围其他形式电磁辐射的特殊人造材料，整体研究内容覆盖电磁学、物理学、光学、材料科学及交叉学科。

隐身衣科技发展对军事、安全和考古等领域产生了重要影响，但目前隐身衣的发展趋势主要集中在军事方面，美国、俄罗斯以及中国都已经在军用隐身衣研究上获得了突破。

发展历史

前期理论

人类一直对实现隐身心存向往，古代神话、文学作品中常有相关描绘，如古希腊的珀耳修斯佩戴的隐身头盔，以及《西游记》中孙悟空运用隐身术的场景。这种幻想背后反映了人类对未知的渴望，而这种渴望往往来源于自然界的灵感。

1968年，苏联理论物理学家菲斯拉格（Veselago）研究引出了超材料的概念，为后续电磁波隐身衣的制成奠定了基础。后来Pendry等人最早提出利用转换光学的办法，可以将自由空间的一个闭合空间变换成一个壳层空间，由此产生等效的壳层介质内的电容率和磁导率张量，这样的壳层介质称为“隐身衣”，因为光经过这个壳层介质时会绕过其内部的洞，好像是在自由空间里传播一样，这样就对壳层介质内部的洞进行了隐身。

实践过程

2005年Ａ·Grigorenko首次在光频制成了具有负导磁率的超材料。2006年J·Pendry在Science上发表文章预言超材料可用来设计使物体隐形的电磁隐身衣（EMIC）或光学隐身衣（OIC），同年D·Schtuig等在微波频率验证了EMIC的思想。

2008年来自加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员开发出了一种新型纳米材料，可使3D物体周围的光线折射后绕过物体，从而达到隐形的效果，研究团队表示今后将有足够大的这种材料出现，可使人类隐身。

2009年，杜克大学 Smith课题组验证了地毯式光学隐身衣的可能性。地毯式隐身衣工作在一块金属凸起上，可以控制进入隐身衣的电磁波的传播路径，使该金属凸起对电磁波的散射与平板金属相同，就好像凸起不存在一样。以往的针对地毯式隐身衣的研究涵盖了从微波、太赫兹、红外到可见光各个频段，主要变换光学方法包括准保角变换和线性变换，主要实验材料是人为构造的新型异向介质，也有少数基于自然界存在的双折射材料或二维材料。在研究初期，地毯式隐身衣会产生与隐身区域高度可比拟的反射波的侧向位移，使得隐身效果不完美。于是，科研工作者又开始寻求新的坐标变换方法来实现地毯式隐身。在这之中，线性变换由于其简洁的变换方程，以及推演得到的均匀电磁参数而得到不少青睐。

2011年科学家设计了一款基于方解石的可见光频段隐身衣，这类隐身衣既避免了由于采用各向同性材料近似带来的反射波平移，还充分利用方解石等自然双折射材料的光学特性避免了复杂昂贵的微纳加工工艺，从而获得肉眼可见的大尺度（数十毫米）可见光隐身衣，相较于只能通过光学或者电子显微镜进行观察的尺寸只有几个微米到几十微米的基于准保角变换的红外频段地毯式隐身衣有更大的实用价值。

2013年，东南大学的崔铁军院士课题组首次提出了超构表面毯式隐身衣的想法，并在微波段对基于二维超表面的毯式隐身衣进行了仿真验证。超表面具有深亚波长的厚度、灵活调控电磁波的能力、较低的损耗、易于共形、易于制备、易于集成等特点，通过合理设计超表面的单元结构以及相位分布，可以实现对相位型超表面散射的有效调控，达到“隐身”的目的。

2015年，加利福尼亚大学伯克利分校的张翔教授课题组实验验证了一种基于相位调制超构表面的超薄毯式隐身衣。通过精心设计纳米天线的结构和排布，覆盖在凸起目标上的超薄超表面能够成功模拟出金属平板反射光波的相位分布，从而实现“地毯式隐身”。这种设计方法迅速吸引了大量科研工作者的研究兴趣。

2018年，中国科学院光电技术研究所的罗先刚院士课题组首次实验验证了可实现动态幻觉调控的毯式超构表面隐身衣。通过调节加载在超构表面单元的变容二极管的电压，可以动态且连续地调控该超构表面的反射相位，从而使散射波波前被重构为多个预期状态，生成不同物体的电磁图像，从而达到电磁欺骗的目的。

2020 年，浙江大学陈红胜教授课题组设计出了一款能够迅速根据背景环境和来波模式进行自适应响应的新一代智能毯式超表面隐身衣。该超表面与人工智能算法进行结合，在没有任何人为干预的情况下，能够根据动态变化的入射波和背景环境自适应地调整相位分布，实时重构出与背景一致的散射场。

工作原理

隐身衣的关键技术在于一种特殊人造材料，该材料能避开光线和物体周围其他形式的电磁辐射。人之所以能看到物体，是因为物体阻挡了光波通过。如果一种覆盖在物体上的材料能使光波绕过物体，那么光线就会看似没有受到任何阻挡；物体就实现了视觉隐身。在一些实验中，人们通过设计垂直排列的透镜阵列，有选择地反射光线，从而达到隐身效果，但一旦观察角度有所偏移，物体又会暴露在人们的视线中。隐身衣的工作原理便是将光线引导到隐藏物体周围，使其在另一侧出现，而不会发生偏转，从而产生物体隐形的错觉。如将物体放下中红外波段吸收型表面遮罩下方，则反射波会被吸收而不会进入任何探测器（如下图a），遮挡热量而在觉对热成像图像中达到隐身效果（如下图b）。

主要类型

电磁波隐身衣

电磁波隐身衣由一种介电常数和磁导率均可设计、介电常数和磁导率可以独立变化且可正可负的复合材料制成，由于该材料电磁属性的可设计性，电磁波在通过该材料传播时的方向就可以得到控制，使入射的电磁波在被测物体周围发生弯曲，从而达到隐身的目的。2006年Pendry团队设计出来的隐身斗篷也属于这种类型。

光学隐身衣

光学隐身衣是一种可以在可见光下将物体隐形的隐身衣。光学隐身衣通过在物体表面覆盖一层厚度为80纳米的纳米天线，来调节光线的反射方向和光线的相位，从而使光线像平滑的平面一样反射，将物体伪装成平滑的地面，远处的观察者会错误地认为只有地板，没有物体，从而成功实现隐身效果。但这种超薄纳米天线只能对特定波长的光（约为730纳米）起作用，要实现对整个可见光波段的广谱隐身效果，目前的技术还不够成熟。2009年，杜克大学 Smith 课题组验证的地毯式光学隐身衣就属于这种类型。

应用领域

单兵在军事行动中有隐匿行踪的需求，不仅需要规避雷达、红外、光电、声音等诸多因素，同时还需要做到视距内隐形，而这对单兵来说几乎是最重要的。因此隐身衣技术的发展对于单兵作战领域来说具有十分重大的影响。2021年俄罗斯研发出了适用于单兵夜间作战的隐形斗篷，这种斗篷甚至让热成像仪和夜视设备无从发现，极大地提高了士兵的作战能力。同在2021年，韩国首尔大学 Seung Hwan Ko教授团队研究人员公布了一项关于人造皮肤的研究成果，这种人造皮肤能够仅通过一种灵活的双功能装置（主动冷却和加热）来进行简单的温度控制，从而让人类皮肤在红外和可见光谱中均能主动融入背景环境，从而达到隐身的效果。但隐形人造皮肤的研究还处于早期阶段，在战场环境与虚拟现实融合技术方面还存在着不小的发展障碍，距离完全走向实战战场还有较长的路要走。

发展趋势

自2006年Pendry等人关于隐形的论文发表开始，隐身衣一直是电磁学、物理学、光学、材料科学及交叉学科最前沿和最热门的研究领域之一，关于隐形衣的研究有军事和民用两方面。

军事方面

在现代复杂的国际环境下，隐身衣技术的发展加剧了各国武器装备竞争，发展隐身技术，提高航空武器系统生存、空防和纵深打击能力，已经成为集陆、海、空、天、电磁为一体的立体化现代战争的迫切需要。由于器件集成化、环境复杂化以及需求多样化，现有的隐身技术仍然存在着许多关键技术问题和应用难点，例如：针对微波低频段，实现超薄、宽带、可共形的隐身器件设计，对科研工作者而言仍然是一个不小的挑战。此外，新兴作战平台上的雷达等射频传感器将以智能蒙皮的形态出现，复杂多变的电磁隐身环境对智能化的电磁隐身材料产生了强烈的需求。因而发展智能可调控的隐身技术以应对复杂多变的来波模式、背景环境和应用需求已然成为隐身技术发展的重要趋势之一。

另外，目前的电磁隐身技术主要采取两种技术途径，外形隐身设计和使用电磁隐身材料。在工程实践中，这两类隐身技术通常同时应用。但是外形隐身技术的设计自由度较差，受限于目标的气动性能、结构以及尺寸等；而传统电磁隐身材料使用的吸波材料通常厚度厚、质量小，工作频率也相对固定，不利于系统进行小型化、集成化、轻量化设计。因此，如何实现厚度薄、质量小、性能好的隐身材料也将是未来的研究趋势之一。

民用方面

隐身衣技术尚未在民用领域实现商业化应用，这主要是由于军事领域隐形材料主要针对侦查仪器隐形，而在民用领域的隐形材料研究方向主要针对肉眼隐形，研制针对视觉隐形的材料技术难点相对较高且需求性不迫切。但是随着科学家们对异向介质的研究，科学家们开始采用异向介质进行隐身衣实验，实验频段从微波段扩展到了光波段，这使得针对肉眼的隐身衣有了实现的可能。

研究现状

隐身技术的发展同时也伴随着探测技术的愈发先进，虽然至今还未出现一种探测手段能够探测到所有隐身技术，但同时也没有出现一种完全无法被探测到的隐身手段。为了实现最好的隐身效果，通常需要简化电磁参数以避免无限大或负数的情况，且还需要用复杂结构等效出梯度折射率材料，这些过程需要昂贵且繁复的技术方法，最终的实际效果也会因存在较大散射和偏差而大打折扣。随着隐身技术的高速发展，尤其是在军事领域，多数国家对各自的技术都实行高度保密。

中国

2022年，厦门大学物理科学与技术学院陈焕阳教授团队为了解决隐身器件的理论设计与实际制备之间的困难引入了遗传算法，通过模拟自然进化过程来搜索最优解。研究人员借助人工智慧算法，利用机器学习探索光子器件的隐身性能，成功设计出可在微波频段和太赫兹频段起作用的隐身器件。

同时，陈焕阳教授在2022年的一项最新模拟计算表明使用三氧化钼（α-MoO3）制造隐形装置，可以达到超材料实现的隐身效果。达到结构的法布里-珀罗共振的光能够以极小的散射通过α-MoO3隐身聚光器传播并且能量在中心处得到加强，达到隐藏电磁照明下的物体的目的，即隐身。此外，利用α-MoO3代替超材料制造的新兴隐形器件在特定光源位置还表现出错觉效应，使得我们无法通过外场判断光源的真实位置。

美国

美国是当今世界上研究隐身技术起步较早和投资最多的国家。2012年美国国防部投资的一家加拿大生物科技公司称他们研究出一种隐形面料，面料外表可形成折射投影，可以让人与环境完美融合。该公司将这种面料被命名为“量子隐形伪装材料”，通过弯曲光线达到隐形目的。研究人员并未透露是否借助了强电磁干扰光线路径，当光线照射到隐形面料的外表时，会在面料的外层形成折射投影，把周围的环境投影在其表面从而实现与周围环境的完全融合。但出于保密，该公司并未公布更多细节和研究内容。

2013年，美国康奈尔大学物理学家亚历山大·加埃塔的研究团队在现实中打造出了“时空隐形衣 ”，实验表明，这件“衣服”可让整个事件的发生过程在时间和空间上暂时消失。他们通过加速和放慢光线的不同部分，实现了让一个物体在空间和时间上同时隐形40万亿分之一秒左右的时间。加埃塔这项实验结果是通过改变光速来实现的。但由于光速大约是每秒30万公里，要实现让一段时间“消失”1秒钟，就需要一个长达30万公里的设备，所以这种隐形技术不太可能持续几分钟，甚至连几秒钟都很难达到。

俄国

2015年，俄罗斯称研发出一种隐身涂层技术，俄方称将这种涂层覆盖在坦克或者装甲车辆上，就会变得和周围环境颜色一样，不仅肉眼很难辨别，而且雷达和红外都很难将其发现。

2017年6月，俄罗斯萨拉托夫国立大学科研小组与俄罗斯钢铁科学研究所联合发布新闻公告，称该大学科学家依靠纺织品纳米表面处理技术研制出一种伪装材料，可以感知周边环境的颜色并做出相应的调整，使军服变成与周围环境一致的隐蔽色，与周围环境完全融合，能有效对付战场侦察雷达、被动夜视仪、探测人体气味的感应器、感应各种武器钢铁部件的磁性探测器及其它电子和光学器材的侦察，使得士兵可以在敌人侦察设备面前完全隐身。

2021年5月，俄罗斯卫星网报道称，俄罗斯特种部队和特种行动部队战士已经获得数套独特的隐形斗篷，这种斗篷甚至让热成像仪和夜视设备无从发现，从而实现了夜间作战的隐形“ 超能力 ”。

主要争议

隐身将被首先应用于军事领域，提高作战的隐蔽性和安全性付于面向民间的隐身衣研究，《科普中国》曾经指出，在追求科技的同时，隐身衣技术也面临着道德和社会影响方面的考量，如果任何人都可以实现隐形，势必会引发一系列社会问题，因此需要充分地预测科技所带来的负影响并加以规范和遏制。