承认吧，其实你很想拥有一件隐形斗篷。如果你在派对上说了什么令人社死的话，你只要穿上这件神奇衣服，就能从派对同伴们嘲讽的目光中消失。如果还想听听老板对你的真实评价？直接走进他或她的办公室，就能得到答案。

在科幻小说和奇幻世界中，这种奇妙的时尚配饰已经成为了标准配置。从哈利-波特（Harry Potter）和他的好兄弟罗恩-韦斯莱（Ron Weasley）到星际旅行猎人，他们每个人的衣橱里都至少有一件隐形上衣，但我们这些现实世界中的普通人呢？

麻瓜们，科学界带来了好消息：隐形的斗篷已经可以实现了。虽然这项技术还远远不够完美，并不会像真正的隐形斗篷那样提供真正的隐形效果，但我们会教你怎样选择隐形斗篷。

01

隐身衣的原理是什么？

人之所以能看到物体，是因为物体阻挡了光波通过。如想让某个物体成为隐形，可在该物体的四周覆盖一层以同心圆形状排列的超材料，这时同心圆内的微型结构——微环或微柱体——就能把传来的一切波动挡在物体的四周，并且不会发生反射或吸收现象。被挡开的波在物体的另一边会再次汇合后继续沿直线传播。

在观察者看来，物体就似乎变得“不存在”了，也就实现了视觉隐身。隐身衣使用的超材料，可以让雷达波、光线或者其他的波绕过物体而不会反弹回来，进而达到不可视的效果。

02

隐身衣是怎么发展的？

2004年，日本东京大学田智前（Susumu Tachi）教授推出了一款大外衣，人只需穿上这件外衣，就会“难以辨认”。其做法为在整件衣服上涂上回射性物质，衣服上还装配了照相机。摄影机拍摄下衣服后面的场景，然后显示在衣服前面的放映机上，再将影像投射到特殊衣料上，这样就实现了“隐身”。

这款名为“隐身衣”的发明并非是真正的隐身，它只是利用“视觉伪装”而达到让人无法辨明的目的。

英国圣安德鲁斯大学的科学家使用一种新型技术生产柔软的超级材料“薄膜”，该材料可以弯曲和引导光线，使物体在较长的波长下隐形，从而摆脱了超材料原子只能适用于物体坚硬表面。他们最新研制的“Metaflex”可在620纳米波长范围下操作，将这些“薄膜”结构粘合在一起所产生的柔韧弹性“智能布料”，便能实现隐形斗篷的基本功能，由“Metaflex”材料制造的绿色小球在镜子中并不反射光线。

加拿大“超隐形生物科技”公司将基于以上超材料原理的“隐形衣”正式命名为“量子隐形伪装面料”。

根据有关资料报道，该隐身衣的理论为弯曲光线，实现隐身。自然界弯曲光线的物体有很多，例如凹凸镜，水体等，但是此类物体都是光线穿过时发生的折射，而隐身衣所需要的则是弯曲周围的光线。根据爱因斯坦的相对论，我们知道弯曲光线需要弯曲时空。实现该理论的技术需要的条件太过苛刻，需要极大的引力场，而在短距离内弯曲光线则需要黑洞一般的强大引力场存在。显而易见隐身衣是不可能利用黑洞来实现隐身的。

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超材料的概念

接下来，让我们穿上超材料制成的隐形斗篷。

利用超材料来弯曲光波

超材料提供了一种更引人注目的隐形技术，无需多个投影仪和摄像头。俄国物理学家维克多·韦谢拉戈(Victor Veselago)于1967年首先提出了超材料的概念，这些微小的人造结构比光的波长还小（它们必须如此才能使光波转向），并表现出负电磁特性，从而影响物体与电磁场的相互作用。

折射率和波的相互作用

天然材料都具有正折射率，这决定了光如何与它们相互作用。折射率部分受化学成分影响，但物质的内部结构起着更重要的作用。如果我们改变材料的结构，我们就能改变材料对入射光的折射方式--甚至从正折射率转换为负折射率。

请记住，图像是通过光传播给我们的。声音通过声波传播给我们。如果能引导这些波绕过物体周围，就能有效地将物体隐藏起来，使其不被看到或声音不被听到。

想象这有一条小溪。如果你把一个装满红色染料的茶袋放入流水中，由于它改变了水的颜色、味道和气味，下游的人就会发现它的存在。但是，如果能让水流绕开茶包流动将如何呢？

超材料织物与能量波

2006 年，杜克大学的戴维-史密斯（David Smith）利用英国理论物理学家约翰-彭德里（John Pendry）早先提出的理论，制造出一种能够扭曲微波流的超材料。史密斯研发的超材料织物是由包含电子微波扭曲器的同心环组成。启动时，它们会将特定频率的微波引导到材料中央区域。

显然，人类看不到微波，但这项技术证明，波可以绕过物体。想象一下，一件斗篷可以使三年级学生扔出的唾沫沾湿的纸球偏离原来的方向，让它绕过穿着这件斗篷的人，并让它在人的另一侧继续飞行，就像它的轨迹可以毫无阻碍地直接穿过这位穿斗篷的人一样。

史密斯研发的超材料证明了这一方法。隐形的秘诀在于使其适应不同的波。

最小的边界

超材料是一种科学创造的产物，自然界中本不存在。科学家们采用了纳米技术创造出改变电磁波方向的微小结构。

04

超材料：隐身神器

利用超材料，我国的科学家们已经做出了不少隐身神器!

1、隐身毯

中科院声学所的杨军研究员团队就做出了一种“魔术”隐身毯。研究人员使用超材料修改了目标的散射波，让它拟态变成了海底，率先在水下实现了物体的声学隐身。

隐身毯由一层一层互相分隔的黄铜板组成，毯下有一个梯形的小空间，需要隐藏的目标物体就放在这个区域。覆盖在目标物体上的隐身毯，可以对周围的声波进行引导，使原本凸起的目标物体显示出平面的回波效果。敲黑板，最终效果就是：原本凸起的物体在外界看来就是一块平地。

目标物体“披上”隐身毯后，就会拟态成一块平面，在探测声纳看来，眼前就是一般的海底，没有异常情况。再多的“声纳眼线”都无法区分拟态海底与真实海底的差别，所以这种隐身毯可以制造“幻象”，躲过多个声纳的探测。

2、球形隐身衣

这是球形隐身衣的剖面图。图中间有一个小圆球，它就是我们要隐藏的目标物。外面的大球为隐身衣所覆盖的区域。两个球体之间的黑线，就是声波/光波在隐身衣中的传播路径。

当声波/光波进入大球(隐身衣内部)以后，波的传播路径就开始逐渐发生弯曲，绕过中间的小球之后又逐渐回到原本的方向上来。波完全不会进入到中间的小球区域，就相当于我们在声场/电磁场中开辟了一块没有声波/电磁波的空间，所以中间的小球就被隔离出来，也就没法被探测到。

3、环形隐身衣

基于上述原理，北京理工大学胡更开教授的团队制作出了环形隐身衣(下图)。这种隐身衣能引导绝大多数声波能量偏离绕行，只有极少数声波进入隐藏区域，从而保证目标物体不被探测发现。

目前，隐身技术是一门前沿、实用的科学，虽然现有的隐身衣并不像我们所想的那样轻便，也不像影视作品里那样神奇，但也不再是毫无根据的“空中楼阁”，而且隐身衣正朝着更薄、更轻、更宽工作频带的方向发展。

05

光学伪装：改变现实

光学伪装技术不会让你隐形于多眼的怪物，甚至不会让你隐形在流浪猫和松鼠面前。

准备好穿上老式的光学伪装服了吗？

这项技术利用了增强现实（AR）技术--一种由伊万-萨瑟兰（Ivan Sutherland）和他在哈佛大学和犹他大学的学生于 20 世纪 60 年代首创的技术。

光学伪装带来的体验与哈利-波特的隐形斗篷类似，但使用时需要稍加复杂的安排。首先，想要隐身的人（我们称他为哈利）穿上一件类似连帽雨衣的衣服。这件衣服是由一种特殊材料制成的，之后会仔细研究。

接下来，一个观察者（暂且称他为斯内普教授）站在哈利面前的某个特定位置。在那个地方，斯内普没有看到穿着连帽雨衣的哈利，像是透过斗篷看到后面，让哈利看起来是隐形的。

上面的照片显示了斯内普（Snape）会看到什么。如果斯内普走到一边，从一个稍微不同的位置看哈利呢？他看到的恰是这个穿着银色衣服的男巫。随之而来的可能是怒目而视和拘留。哈利很幸运，他在小说中的斗篷可以为他提供全方位的保护。

增强现实与虚拟现实

增强现实系统将计算机生成的信息添加到用户的感官中。例如，想象一下你走在城市的街道上。当你注视着沿途的景点时，补充信息就会出现在眼前，用来增强和丰富你的正常视角所看见的内容。也许是餐厅的当日特价、剧院的演出时间或车站的公交时刻表。

需要明白的是，增强现实技术与虚拟现实技术不同。虚拟现实旨在取代现实世界，而增强现实只是试图用额外的、有用的内容来补充现实世界。可以把它想象成日常生活中的抬头显示器（HUD）。

光学伪装的组成部分

大多数增强现实系统需要用户使用一个特殊的观察装置，以此来观察那些用合成图形增强的真实世界场景。系统中还包括一台功能强大的计算机。光学伪装也需要这些东西，但它还需要其他几个组件。以下是让人隐形所需的一切：

高反光材料制成的衣服：数码摄像机 一台电脑 一台投影仪 一种被称为 "组合镜 "的特殊半涂银面镜

06

光学伪装：隐形斗篷组成

好了，有了摄像机、电脑、投影仪、组合器和神奇的反光雨衣。增强现实技术是如何将这份奇怪的购物清单变成隐形配方的呢？

光学伪装利用 AR 技术的优势发挥作用。了解其工作原理，并找出隐形衣的组成部分。

逆反射材料

首先，仔细看看这件雨衣：它是由逆反射材料制成的。这种高科技织物上布满了成千上万颗小珠子。当光线照射到其中一颗小珠子上时，光线就会沿着来时的方向反弹回来。

要了解这种独特的原理，可以看看光线是如何从其他类型的表面反射出来的。粗糙的表面会产生漫反射，因为入射光线会向许多不同的方向散射。完全光滑的表面，如镜子，会产生所谓的镜面反射--入射光线和反射光线与镜面形成完全相同的角度。

光线反射和逆反射

在逆反射中，玻璃珠就像棱镜一样，通过折射使光线弯曲。这使得反射光线沿着与入射光线相同的路径返回。结果就是：位于光源处的观察者会接收到更多的反射光，从而看到更明亮的反射效果。

逆反射材料其实很常见。交通标志、路标和自行车反光板都利用了逆反射，使夜间行车的人更容易看到。大多数现代商业影院中的电影屏幕也利用了这种材料，因为它能在黑暗条件下产生高亮度。

在光学伪装中，逆反射材料的使用至关重要，因为它可以从很远的地方看到，也可以在室外的强光下看到--这是让人产生隐形错觉的两个必要条件。

在其余的设置中，摄像机需要放置在拍摄对象的后面，以捕捉背景。计算机从摄像机捕捉图像，计算适当的透视，并将捕捉到的图像转换为应该投影到逆反射材料上的画面。

投影仪和组合器

然后，投影仪通过一个由光阑控制的开口，将修改后的图像投射到服装上。

这种光阑由不透明的薄板制成，转动一个环可以改变中央开口的直径。要使光学伪装正常工作，这个开口必须是针孔大小。为什么是这样大小的开口？这样可以确保更大的景深，从而使屏幕（在本例中为斗篷）与投影仪保持任意距离。

最后，整个系统需要一面特殊的镜子，既能将投影图像反射到斗篷上，又能让从斗篷上反弹出来的光线返回到使用者的眼睛里。这种特殊的镜子被称为分光镜或组合镜--一种半涂银面镜，既能反射光线（银色的一半），又能透射光线（透明的一半）。

整合计算机生成的图像

如果将组合镜正确地放置在用户眼前，用户就能同时感知计算机增强的图像和来自周围世界的光线。

这一点至关重要，因为只有让计算机生成的图像和现实世界的场景完全融合，才能让隐形幻觉看起来逼真。用户必须通过镜子上的窥视孔才能看到增强现实。

现在，把所有这些组件放在一起，看看隐形斗篷是如何让人看起来是透明的。该图显示了所有各种装置和设备的典型排列方式。

当一个人穿上用逆反射材料制成的斗篷后，事情的发展顺序是这样的：

数码摄像机拍摄穿斗篷的人身后的场景。

计算机处理捕捉到的图像，并进行必要的计算，调整静态图像或视频，使其在投影时看起来逼真。

投影仪从计算机接收增强后的图像，并通过针孔大小的开口将图像投射到组合镜上。

镀银的半面镜子是完全反光的，它将投射的图像反射到穿斗篷的人身上。

斗篷就像电影银幕一样，将光线直接反射回光源，这里的光源就是镜子。

斗篷反射的光线穿过镜子的透明部分，落在使用者的眼睛上。请记住，斗篷反射的光线来自于穿斗篷的人背后的实际存在的场景图像。

穿斗篷的人看起来是隐形的，因为背景场景显示在逆反射材料上。与此同时，周围其他地方的光线也可以照射到用户的眼睛上，从而让人觉得在一个看起来正常的世界里存在着一个隐形人。

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光学伪装：真实世界的隐形应用

“隐形斗篷”这个词往往会让人联想到梦幻般的冒险、神奇的间谍活动和超凡脱俗的欺骗。然而，光学伪装的实际应用却远没有那么夸张。你不要幻想隐藏你的罗武伦星飞船里闲逛，但这并不意味着这项技术没有一些可行的用途。

航空和驾驶领域的应用

例如，飞行员在降落飞机时，可以利用这项技术让驾驶舱地板变得透明。这样，他们只需低头看一眼地板（地板上会显示机身外部的情况），就能看到跑道和起落架。

同样，驾驶员也不必处理后视镜和盲点的问题。相反，他们只需 "透视 "整个车尾即可。这项技术甚至有可能应用于医疗领域，因为外科医生可以使用光学伪装来“透视”他们的手和器械，可以很好的地观察下面的组织。

相互同传

有趣的是，这项技术的一个可能应用实际上是围绕着提高物体的可见度展开的。这一概念被称为 "互传"（mutual telexistence），主要是将远程用户的外观投射到涂有逆反射材料的机器人上。

假设一名外科医生通过远程控制机器人为病人做手术。互传技术会让协助手术的人类医生感觉到，他们是在与一个活人而不是一台机器一起工作。

随境游戏

现在，互传还只是构想，但科学家们仍在不断推动这项技术的发展。例如，随境游戏已经成为现实。随境游戏将游戏体验延伸到现实世界，无论是在城市街道还是在偏远荒野（如 Pokémon Go）。玩家通过移动显示屏在世界中移动，同时传感器捕捉他们所处环境的信息，包括他们的位置。这些信息会根据用户所处的位置和正在做的事情提供不同的游戏体验。

最后

遥想当年，隐身还是人类遥不可及的梦想，再看今天梦想已逐渐变成了现实。人类对未来的畅想，真是推动科学进步的一股动力!

文章来源： 中科院物理所，ITD纺织品设计创新团队