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使物体在流体中隐形

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Science China Press

流体隐形斗篷

image: 图 2a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;图 2b该隐形装置可通过合理地增大障碍物周围流体通道的横截面来实现。 view more 

Credit: ©《中国科学》杂志社

隐形斗篷是一种人工制造的,可以使穿戴者透明的装置。该装置可有效地隐藏穿戴者,使其不被发现。最著名的例子之一当属哈利·波特的隐形斗篷。该斗篷在第二次巫师大战中发挥了巨大的作用。几个世纪以来,隐形斗篷这样的魔法道具都只存在于科幻小说中。然而,新兴的超材料技术为实验实现隐形斗篷提供了可行的方案。

基于超材料的隐形技术是由伦敦帝国理工学院的John Pendry爵士于 2006 年首次提出的。在那之后,隐形技术的研究变得炙手可热,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。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。其特性通常是自然界中没有的,只能通过合理的结构设计人工实现。超材料的特性之一是可以随意的操控光或者声音在其中传播的速度。这种特性对隐形斗篷的设计至关重要。此外,超材料概念还可以拓展到流体动力学用以控制流体的流动。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。

在最近一期的《国家科学评论》上,新加坡南洋理工大学数理学院张柏乐教授所在的研究团队,与电气与电子工程学院的罗宇教授合作,发表了一篇题为“A Metamaterial-Free Fluid-Flow Cloak”的文章,旨在在不使用任何超材料的情况下对大尺度物体实现隐形。

该团队研究的是一类在理想流体中的特殊隐形装置。在没有任何障碍物的情况下,流体会沿着一条直线流动。但一旦碰到障碍物,流体的轨迹将发生偏折而改变流向。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(如图 1a 所示)。根据伯努利方程,流体流动的速度与流体质量密度的平方根成反比。换句话说,要控制流体流动的速度,需要精确地设计流体的等效质量密度。为此,传统方法通常都依赖于复杂的超材料结构。

然而,南洋理工大学的研究团队则从另一个不同的角度切入解决了这个难题。该团队提出了一种控制流体质量密度的简化方法。他们的研究表明,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。因此,通过合理设计流体通道的几何尺寸就能达到任意控制流体等效质量密度的目的。图1b展示了通过该方法设计的大尺度流体隐形装置的示意图。该方法无需利用超材料,仅仅通过合理地增大障碍物周围流体通道的横截面就能达到隐形的目的。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。视频 1的左图展示了流体在均质通道中沿直线路径流动的情况;中间则对应流体碰到障碍物后轨迹发生偏转的情况;右图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。

该团队的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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