无需超材料的“流体隐形斗篷”，让物体在流体中隐形 | NSR

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超材料的出现让“隐形”梦从科幻照进现实。然而超材料设计复杂、制造困难，难以量产。在最近发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）的文章中，新加坡南洋理工大学罗宇、张柏乐所在的研究团队设计了一种无需超材料的针对流体的隐形斗篷。该斗篷可使流体在绕过障碍物时保持原有的运动轨迹，从而在流体运动下有效地隐藏大尺度物体。

在《哈利·波特》系列的第二部中，一件神奇的“隐形斗篷”发挥了巨大的作用。

哈利·波特的隐形斗篷

2006年，伦敦帝国理工学院的John Pendry爵士首次提出基于超材料的隐形技术，人类的隐形之梦开始从科幻照进现实。从那时开始，隐形技术研究变得炙手可热，不同版本的隐形斗篷相继问世。其中有可使物体对可见光透明光学斗篷，也有使物体不被雷达探测到的雷达斗篷，还有可使物体在声纳中隐形的声学斗篷等。

然而迄今为止，所有实验实现的隐形斗篷都依赖于超材料。被隐藏的物体通常都是小尺度的。超材料是一类具有特殊功能的人造材料，可以操控光、声音或者流体在其中的传播速度，从而实现隐形。然而，超材料单元结构的制造通常涉及复杂的微纳加工，这使得大尺度隐形装置的实验实现变得尤为困难。

在这项研究中，作者设计了一种不使用任何超材料的特殊流体隐形装置，可以使大尺度物体在理想流体中实现隐形。

通常情况下，当流体碰到障碍物时，流动的轨迹将发生偏折、改变流向。通过检测流体的流向和流线的扭曲程度，我们就能够探测该障碍物的大小、形状和位置。而流体隐形技术则是通过隐藏这种扭曲并恢复流体原有的流向来达到隐藏物体的效果。这通常需要精确地控制流体流动的速度，使流体在靠近障碍物时流动得快，远离障碍物时流动得慢。通过这种方式，流体一旦绕过障碍物，又将沿着原有的流向继续沿直线流动，就好像没有碰到障碍物一样（如下图a）。

a 流体隐形斗篷可使流体有效地绕过障碍物而轨迹不发生偏转；b 该隐形装置可通过合理增大障碍物周围流体通道的横截面来实现。

传统的流体隐形方法通常都依赖于复杂的超材料结构，才能实现对流体等效质量密度的精确设计，从而控制流体流动的速度。而在这项研究中，研究者从另一个角度切入，提出了一种控制流体质量密度的简化方法——他们发现，当流体流过横截面较大的通道时，其有效质量密度会减小，从而流动得更快，反之亦然。基于此，研究者设计出了一种大尺度流体隐形装置，该方法无需利用超材料，仅通过合理增大障碍物周围流体通道的横截面，就能达到隐形的目的。（如上图b）

为了实验验证这种装置的隐形效果，该团队比较了三种不同情况下流体的流动，结果如下面的视频所示。在视频的左侧，流体在均质通道中沿直线路径流动；在视频中间，流体碰到障碍物后轨迹发生偏转；在视频右侧，则展示了该团队设计的隐形斗篷如何使流体顺利地绕过障碍物并返回到原始路径而不发生偏转的情况。左右两种情况下相似的流体流向有效地证明了该隐形装置的隐形效果。

这项研究不仅为实现大尺度的流体隐形装置提供了可靠的平台，更为微流体的操控提供了一种新手段。

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