比翱观察丨“现象级”材料，将“Meta”带入现实生活！

疫情当前，仍挡不住人类追求真理、梦想与美好生活的步伐。或许这个特殊的时期，对我们不仅只是一场磨砺，也会是一次化茧成蝶的机遇，催生出一个全新的时代和一个崭新的未来。

虽然互联网上充斥着与元宇宙和元世界相关的所有事物，但还有另一个"Meta"词值得学习与玩味。超材料（MetaMaterials）是一类独特的功能材料，当以特定的纳米级图案和结构排列时，概念便一步步的变为了现实。本文试图来阐述有关超材料的一些基本信息与发展资讯，以及它们如何潜在的正在改变我们的世界。什么是超材料？具体来说，超材料由金属和塑料等普通复合材料组成，并从它们所处的结构中获得其性能。精确的形状、方向和几何形状使它们具有能够随意阻挡、吸收、增强甚至弯曲能量波（电磁波、声波、光波、冲击波等）的特性。这意味着您现在可以创建遮盖的对象，当光线照射到它的上面时，这些对象看起来是不可见的。或者，您可以制作出不弯曲的眼镜，并且像一张纸一样薄。超材料构型示例 传统的眼镜是凸形或凹形的，这取决于你是近视还是远视。这种曲率是必要的，以确保来自各个角度的光线同时到达焦点。使用超材料，您可以将玻璃的表面设计成完全平坦，但玻璃的边缘折射光的速度比中间快。玻璃目前的工作原理，使用超材料可以减少玻璃的曲率和厚度 还记得小时候，在你必须移动电视天线以获得最佳信号的那个场景吗？通过这样做，您可以更改天线的方位与几何形状，以便更好地与无线电波进行交互。这几乎就是超材料的作用。通过获取现有材料，并改变它们的几何形状或材料的结构，它们被超自然的力量所增强。 例如，你可以用某些超材料涂覆物体，这样一旦光线照射到表面，它就会反弹回来。这称为负折射。有了这个，就有可能在现实生活中制造哈利·波特的隐形斗篷。为光学超材料做好准备，在未来三到五年内进入我们的口袋，厨房，汽车和办公室。这是该领域专家的预测。由于技术的迅速成熟和生产成本的下降，这些材料正在向一些利润丰厚的新市场敞开大门。

从抗损伤的抗反射光学元件到可调谐的平面镜头，超材料有望为智能手机、相机、汽车安全系统和游戏机提供更通用、更紧凑的光学系统，以及更时尚的增强现实耳机

 
光学超材料利用小于某些波长光的化学成分或表面特征，使它们能够以有用的方式与光子相互作用。从抗损伤的抗反射光学元件到可调谐的平透镜，超材料已经取得了商业进展。现在，他们在智能手机、相机、汽车和游戏机领域找到了工作。最直接的消费者应用似乎是移动设备、无人驾驶汽车以及增强现实和虚拟现实耳机中的深度传感。 
超材料不仅限于弯曲光和其他电磁波。以下是超材料研究开始起飞的其他一些领域： 声学：声学超材料可以以声波，超声波和次声波的形式操纵声音，因为这些波可以表现出类似于上面的例子的负折射特性。传统上，隔音镶板或隔音材料会吸收声音并将振动转化为热量。在声学超材料的背景下，面板被设计成捕捉通过空气的某些频率，并将它们反射回其源头。这反过来又会在扬声器周围放置盒子时产生隔音效果（示例如下）。 此外，隔音板可能很重、很厚、会破坏房间的美感。使用声学超材料，可以设计出可以直接应用于嘈杂机械的解决方案，甚至可以嵌入隔间的墙壁内。结构的：航空航天和汽车制造涉及寻找最耐用又具备轻量化特性的材料，以便在不牺牲安全性的情况下提高空气动力学能力。迄今为止，气凝胶是最轻的材料之一，用于各种应用，如网球拍和绝缘体，但不幸的是，如果置于压力下，它会变脆。结构超材料与气凝胶一样轻，但刚度高出10000倍。这种新材料使用陶瓷 - 聚合物杂化物，并使用微立体光刻（一种微观3D打印形式）创建，并塑造成微晶格。制作更多元的东西5G网络的全球推广为大规模使用超材料提供了独特的机会。5G网络通过使用更高的无线电频率来运行，与4G和3G网络相比，这些频率的杂乱程度更低。因此，较高的波段在传输信息方面更快，但很容易被树木和建筑物等物理对象阻挡。目前，这个问题是通过多个输入和输出天线来增强信号，并在建筑物和其他高层结构上放置小型发射器来解决的。通过结合超材料，可以使用它们的折射特性来波束控制这些天线，而无需任何移动部件，使它们更耐用并提高网络性能。同样，超材料可用于自动驾驶汽车，以帮助提高LiDAR系统的性能和耐用性。LiDAR传感器以短脉冲发射光波，并计算这些脉冲返回传感器所需的时间，以确定行进的距离。此过程每秒重复数百万次，以创建环境的实时3D地图。目前，为了产生视野，LiDAR旋转传感器的大部分可以访问不同的角度。通过在LiDAR单元中部署超材料，由于超材料的折射特性，可以切除所有运动部件。因此，这可以提高性能，并降低这些单元的故障率。然而，最重要的是纳米光刻（在材料上打印纳米结构的艺术）和增材制造的兴起。鉴于半导体在过去几年中的小型化程度，已经产生了新的纳米光刻工具，可以打印超材料获得其独特性质所需的纳米结构。因此，规模化生产超材料变得越来越便宜。此外，一些早期的超材料天线专利计划在2024年至2028年之间到期。一旦发生这种情况，愿意并能够大规模开发超材料的公司数量可能会迅速增加。谁正在成为超材料新贵？超材料是一个令人难以置信的利基空间，只有少数初创公司在该领域运营。有趣的是，大多数都与一个名为Intellectual Ventures（IV）的孵化器/风险投资基金有关。通过他们的发明科学基金，IV为超材料科学家和研究人员创建了一个平台解决方案。IV旨在帮助科学家和研究人员克服商业化的传统障碍，并围绕他们的研究制定商业模式。Kymeta - 由Intellectual Ventures孵化和分拆出来，由比尔·盖茨资助，Kymeta目前正在使用超材料来构建平板电子转向天线。其预期用途是确保在移动中与移动卫星和地面服务完全连接，这对于在所有条件下都需要强大连接的国防、公共安全和商用车辆非常有用。使用超材料使Kymeta能够以非传统方式设计天线。与可能庞大而笨重的相控阵天线不同，Kymeta能够将天线的占地面积减少到单个平板显示器中，该平板可以很容易地连接到车辆的车顶上。占用空间的减少不会降低其性能，因为它实际上随着扫描的增加而改善。此外，天线在使用过程中消耗的功率最小，并且可以利用现有的电源系统。位于车辆顶部的Kymeta天线所使用的超材料允许Kymeta使用软件精确地实现和控制其全息波束成形技术的指向和偏振。为了完成该软件包，Kymeta还发布了一项混合卫星蜂窝连接服务，以确保其卫星能够以最佳状态运行。Lumotive - 同样由比尔·盖茨资助并由Intellectual Ventures孵化的Lumotive公司正在使用超材料来进一步发展LiDAR和汽车驾驶技术。如上所述，LiDAR系统使用旋转部件来拓宽视野。在Lumotive的情况下，他们使用电子波束转向首先扫描环境，然后在需要时专门针对潜在的障碍物和威慑物，其大部分分辨率以生成更高质量的周围环境图像。此外，有针对性的照明可以改善对车辆方向和速度的估计。如上所述，超材料技术正变得越来越便宜，越来越容易获得。就Lumotive而言，它的技术以反射半导体芯片的形式出现，该芯片的顶部制造了纳米天线，以操纵光、液晶和涂层，这意味着它可以被比作生产LCD面板。Emrod -是一家总部位于新西兰的公司，致力于开发允许电力从不同地方无线发射的技术。这类技术实际上已经存在了一段时间。从本质上讲，发射天线将电能转化为微波能量，微波能量是电磁波。然后，它将该波聚焦成圆柱形波束，并通过一系列继电器发送，直到它击中矩形（接收天线），将其转换回电能。虽然这在以前是可能的，但它在商业上是不可行的。然而，使用超材料，该公司能够更有效地将微波能量转换回电能。以前，在传输和最终转换阶段会损失能量。使用这种当前的方法，继电器充当透镜，能够使用超材料将光束延伸到视线之外，使其成为无损练习。总体而言，该系统的效率约为70%，使其在农村地区或自然灾害期间在经济上可行，预计这将是该技术的核心用例。目前，该公司的原型可以在40米以上发送几瓦的能量，但预计使用相同的技术能够在更长的距离上发送100倍的能量。Meta Material Inc - 恰如其名的Meta Materials Inc（MM）分布在从5G通信到医疗设备的各种行业中，目标是成为与OEM合作的平台公司。MM创造了一种透明的导电膜，由一种名为Nanoweb的不可见金属网制成。网格由银、铝、铂、铜和镍制成，具有网格的结构和几何形状，使其具有高导电性和透明性。有趣的是，任何金属都可以用来创建网格，网格的几何设计决定了其属性。您几乎可以看到Nanoweb面板的模糊边缘Nanoweb的用例范围很广，包括透明天线，可以集成到窗户和车辆挡风玻璃、除雾和除冰玻璃窗以及手机和平板电脑屏幕中，它可以减少雾霾和眩光，同时还可以提高玻璃的导电性和柔韧性。Metasurfaces - 率先上市的哈佛衍生产品Metalenz是光学超材料的早期开发商之一，它认为它已经突破了这些商业化的障碍。该公司最近从半导体制造商（包括英特尔资本、3M、TDK Ventures和Applied Ventures）筹集了1000万美元，以帮助进行关键人才招聘并扩大其新镜头的生产规模，该镜头将于2022年上市。随着对消费电子产品和智能手机市场的关注，Metalenz将镜头建立在单个、扁平、偏光组件上，该组件在单个层中赋予衍射和折射型功能。这种双重功能可以减少点阵投影仪中的组件数量。点阵投影仪是一个复杂的模块，用于构建手机中面部识别的光线。组件越少，占地面积越小。此外，对于3D传感系统中的成像，透镜改善了光的收集，同时用一个超材料组件取代了多达四个光学组件。Meta何时才能变为现实？正如你所看到的，超材料领域是新生的、分散的，并且在很大程度上尚未形成标准化与服务体系，其大部分学术研究都没有商业化，从实验室走向工业的征途依然在“翻山越岭”。尽管Intellectual Ventures在启动和促进这个行业方面做得很好，但努力使这项技术和潜在的用例更容易获得，这将大大有助于吸引公众的更多关注。 鉴于围绕专利和创业障碍的问题，超材料行业很可能在2024年之前保持半停滞状态。在此期间，希望以航空、船舶、高铁动车组和新能源汽车为代表的运载交通工具制造商、电信公司、智能家电和高科技电子等行业更多主流企业能够在其型号与产品研制中采用超材料解决方案。如成所愿，那么我们很可能会看到2024年后商业化的巨大爆发。如果不是这样，那么在另一个催化剂出现之前，该行业仍然会处于不温不火的状态。

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