原创：砺道智库 玉明

红外，雷达，声学和光学隐身是低可观测性的新前沿，超材料竞争的胜利者将在下一场战斗中占有巨大的优势。

据美国海军协会学报10月刊登约翰·米勒撰写的文章称，伦敦帝国学院的物理学家的物理学家约翰·彭德里（JohnPendry）教授发起了一场超材料革命。在1990年代后期，他发现了一些根本性的东西：他可以通过改变物体的内部结构来改变其材料特性，而无需改变其化学或分子组成。彭德里建议，建立一个复杂的晶格结构可以允许操纵物体的磁场和电场。从理论上讲，这可以使工程师设计可以控制其与电磁光谱（包括可见光）相互作用的材料。

彭德里的理论引起了基础材料研究的新领域：超材料和超表面。这些材料的性能超过了先前公认的天然和合成限制。一项应用的轰动性预测似乎已经实现2006年，大卫·史密斯（David Smith）和杜克大学（杜克大学）的宣布宣布隐形斗篷的概念证明。它使用超材料来屏蔽微波辐射。从检测到掩盖系统和武器的前景（使传感器无法看到它们）现在隐约可见。

在以前的时代，战争的重大创新突破了新材料和新设计的开发和应用。木壳帆船演变成镀铁的蒸汽动力军舰。由于这些机翼改变了形状以提高超音速性能，因此轻质铝替代了机箱中的重木。这些演变中的每一个都依赖于一种新材料或设计，其性能克服了旧的局限性，同时仍保留在已建立的科学定律的范围内。

这次不一样了。超材料和表面不会面临相同的增量限制。在某些情况下，他们改变了对物理定律的常规理解。对于社会和战士而言，超材料提供了近期和长期技术可能性。对于军方而言，最令人担忧的是，美国及其潜在的对手也同样可以利用这些机会，而这些对手正在努力利用美国的进步。

基础

对于敌方而言，用超材料或超表面网格覆盖的飞机，轮船，潜艇或武器可能很难识别周围的空气和水。

超材料从其结构中获得其物理，电和磁特性。那些有助于电磁和声音不可见性的元素最好用微芯片（超材料）或独特形状和分层的复合材料和/或自然成分（超表面）的复杂晶格来概念化。通常，晶格元素的尺寸可达几百纳米-十亿分之一米。由于超材料可以动态地重塑其相关的电场和磁场，因此它们可以改变各种，其改变了各种形式的能量被吸收，反射，分散，折射和放大的方式。因此，超各种能量波（雷达，微波，红外，可见光和声波）与之相互作用的方式。材料以全新的方式控制能量。

基础物理学是超材料设计的基础。当能量波传播通过一种介质（例如，空间，空气，水，玻璃），越过边界并与另一种介质相互作用时，该波会折射（弯曲）。想一想光线在通过棱镜时会弯曲。这种现象被称为斯涅尔定律。当该波遇到一个对象时，波的一部分会被反射，分散或吸收。例如，当光线照射到汽车时上时，一些光线会被吸收，但是反射的光线使我们能够看到汽车并告诉我们它是什么颜色。因为大多数传感器都测量发射能量的反射和/或吸收，所以实现接近零的反射和吸收将是完美隐身技术的最终状态-所有发射的传感器能量都将返回，除了预期的环境损失。

由于多种独特的特性，超材料可以控制物体周围的能量吸收和折射。与超材料相关的最令人惊讶的发现之一是它们可能具有负的"折射率"，这是一种描述能量波在1967年，人们一直认为所有真实材料都必须具有正折射率。此特性使超材料可以在与天然材料和介质相反的方向上可控地。折射波。另一个特性涉及晶胞的形状，大小和配置如何确定其介电常数（电）和磁导率（磁），即电场或磁场如何与其周围环境相互作用。通过更改这些字段，超材料和超表面可以在其整个结构中实现连续可变的属性。这种特性使他们能够以不同的方式重定向和分散能量波，贯穿整个材料。

规模挑战

超材料仍然是一种相对较新的技术。它们已经存在了仅仅20年，但是却取得了长足的进步。尽管它们的潜力巨大，但扩展技术难度很大。超材料的设计需要纳米级组件来操纵电磁光谱的红外和可见光部分的波长。这一局限性挑战了工程师将其应用范围从无线电波，微波和红外波移至组成可见光谱的更长波长的能力。给定的超材料晶格层只能控制和/或操纵特定的波长。必须将不同的材料细分以影响更广泛的范围。但是分段增加了材料的复杂性和整体厚度，这不利地影响了应用。工业界将需要在定制电路板印刷中开发新功能插件设计要求。

应用领域

通讯

通过提高电磁频谱的敏捷性和冗余度，基于超材料的天线可以帮助控制指挥和控制，以支持电磁机动战。这种天线对准了尺寸，增加了功率输出，改善了方向性，并增加了单个天线可能的频率范围。通过用电子扫描阵列（也称为相控阵）代替传统的无线电天线，联合力量可以将先进的通信能力引入小型单位和团体。天线增加的功率和方向性允许超材料设计至少部分地克服全光谱干扰能力。本质上，它们从对手"回购"频谱的一部分。这些天线无需依赖定向卫星连接，而可以从任何角度"捕获"传输。此外，它们允许快速，近乎连续地改变频率，以提供额外的抗干扰能力。这种跨电磁频谱的控制将是关键的任务推动者。

光学极限

传感器极限将传感器分开两点所需的最小角度间隔。传统上，绕射（即能量波在拐角处的弯曲，例如在停泊的船上绕海浪。超材料超透镜通过折射能量波以新的方式弯曲，通过负折射控制色散来克服了这一限制。增加电光（EO）或红外（IR）设备的光学分辨率可提高保真度，以便在更长的距离和更大的战场范围内进行收集。更重要的是，这些传感器可以小型化，以安装在较小的有人和无人系统上。它们还提供了视觉观察纳米级结构的能力。可以这样做的光学设备将在快速检测化学，生物和放射威胁甚至船舶上的有毒气体泄漏方面具有重要的应用。从地面部队到飞机和轮船，光学系统的改进将大大提高战场意识，决策能力和安全性。

超材料提供了红外线甚至光学信号显着减少的前景。完全不可见的合理性是一个悬而未决的问题，但是使部队更难被发现的军装即将出现。

武器

对于带有EO或IR导引头的精确制导武器，提高分辨率可以在尺度范围内识别和识别目标，从而提高智能武器的效力。它还承诺提高当前美国防御系统的精度，包括标准，爱国者，地面拦截器，地狱火（AGM-114）和响尾蛇（AIM-9）导弹。除了寻找者以外，超地面导弹护罩还可以改变下一代军械，使其避免被集成的防空系统或飞机侦破，这些是一个潜在的重要应用。（这些导引头和护罩的设计必须开放和对准，以应对敌方超材料和超表面的发展。）武器传感器和设计的综合改进将使超材料用于掩盖或伪装船舶，飞机，

声学

对超材料的初步研究集中于电磁现象，但最近的研究已经研究了超材料在声学中的应用。由于水的密度和有限的压缩能力，在水中传播声音的物理比在空气中传播的物理更具挑战性。尽管如此，宾夕法尼亚州立大学的研究人员于2018年透露，他们设计了一个三英尺高的带孔钢金字塔，它对于宽带声纳频率实际上是不可见的-一种"声学地面披风"，可以抑制声音发射甚至完全掩盖物体。在海域，避免被发现的能力取决于击败主动和被动声纳。超材料的声音阻尼将提供掩盖船舶和潜艇自身噪声的可能性。机械超材料还提供了类似的机会，不仅可以掩盖声学，而且可以存储能量和管理热足迹。像飞机的隐形一样，舰船，潜艇，地雷或无人水下航行器的隔音罩可通过使战斗的惊奇性恢复活力来提供重要的战斗优势。这种阻尼技术已经在原型中，并且很快将在现场进行测试。

前进取胜

通过跨领域和跨频谱的使用，超材料为控制战场提供了许多机会。它们在平台，传感器和武器中的广泛应用证明了超材料的变革潜力。面临的挑战是与任何敌对者保持并驾齐驱，其决心反映了在超材料领域的主导地位。美国必须振兴自己的国防企业来应对这一挑战。尤其是，国防部必须在行业，政府和高等教育中吸引战士，科学家和工程师，在建立可持续能力的同时抓住超材料应用的前沿。通过集成最终用户，原型功能，开发和发布增量功能以及创建模块化的开放系统，海军和国防部可以在超材料应用领域实现敏捷性并增加部队的杀伤力。必须严格控制这些应用程序，密切关注对手。这些材料昭示"未来即现在"。