中國科學(xué)院院士褚君浩：紅外慧眼與隱身術(shù)

帆書（原樊登讀書）2024-06-29 08:54

帆書（原樊登讀書）

大家好，我是紅外物理學(xué)家褚君浩，今天我跟大家分享的題目是“紅外慧眼與隱身術(shù)”。

我們知道，人類經(jīng)歷過幾次工業(yè)革命：第一次是機(jī)械化，就是蒸汽機(jī)；第二次是電氣化，主要是發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)；第三次工業(yè)革命，是信息化。我們現(xiàn)在就處于信息化時(shí)代的后期，也是信息化高度發(fā)展的時(shí)期，即將迎來第四次工業(yè)革命，也就是智能化。智能時(shí)代的特點(diǎn)，就是將智慧融入到一個(gè)物理的實(shí)體系統(tǒng)中去。它的整個(gè)特征，跟第一次工業(yè)革命到第二次、第三次都是一樣，就是科學(xué)和技術(shù)交叉推動(dòng)。

智能化時(shí)代最大的特點(diǎn)就是有智能化的系統(tǒng)，一個(gè)智能化的系統(tǒng)有三大支柱：第一是動(dòng)態(tài)感知，相當(dāng)于我們?nèi)说奈骞伲坏诙侵腔圩R(shí)別，相當(dāng)于我們?nèi)说拇竽X；第三則是自動(dòng)介質(zhì)的反應(yīng)，相當(dāng)于我們用四肢來解決一些問題。動(dòng)態(tài)感知靠傳感器，智慧識(shí)別則是靠大數(shù)據(jù)、物理模型和算法，而自動(dòng)介質(zhì)的反應(yīng)靠控制，當(dāng)然需要一些信息化的平臺(tái)。智能化的系統(tǒng)，在人工智能、智慧地球、數(shù)字城市等領(lǐng)域都會(huì)有很大的應(yīng)用。

智能化系統(tǒng)中還存在兩個(gè)核心技術(shù)：一個(gè)是實(shí)時(shí)感知技術(shù)，相當(dāng)于人的五官；第二個(gè)是智慧分析技術(shù)，則相當(dāng)于人的大腦。如果我們將實(shí)時(shí)感知的傳感器與模型分析、大數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，將它集成在一個(gè)芯片里去，那就是一個(gè)智能芯片。我們的重要目的就是要做成一個(gè)慧眼，這個(gè)慧眼就像孫悟空的火眼金睛，也像封神演義中二郎神額頭上的第三只眼。這個(gè)慧眼，一打開什么都看得清楚，它實(shí)際上就相當(dāng)于一個(gè)智能傳感器的芯片，它靠傳感器來獲取大量的信息，并做出分析，告訴你一切。光電傳感器就是通過光譜獲取很多信息的一種“慧眼”，而當(dāng)看不見光時(shí)要怎么辦？那就需要研究紅外線與物品相互作用的歸類。

紅外的慧眼有三大功能：第一是圖像功能，也就是在夜里也看得見圖像的空間分布。舉個(gè)例子，如果說把燈關(guān)掉，大家就看不見了，手機(jī)也不能拍照了，因?yàn)槭謾C(jī)只能拍攝可見光。然而如果用紅外眼鏡，那么在黑暗中也看得見了。在我們國家的高鐵站，就用這樣的紅外技術(shù)來進(jìn)行安全檢查，看有沒有攜帶違禁品。現(xiàn)在，這樣的技術(shù)也用在我們的衛(wèi)星上。比如風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星的上面就放了紅外眼鏡，成像很清晰，無論白天還是夜里都能看風(fēng)云。

第二是熱像功能，即能夠看見溫度分布。通過紅外慧眼，我們能夠得到熱像，能知道火災(zāi)時(shí)溫度最高的火源在哪里，也能透過煙霧發(fā)現(xiàn)火災(zāi)中倒在地上的人。在巴黎圣母院的大火中，紅外熱像儀發(fā)揮了作用。在新聞報(bào)道中透露了一個(gè)出人意料的細(xì)節(jié)，如果不是消防人員使用了配備熱像儀的無人機(jī)來追蹤巴黎圣母院火勢(shì)的蔓延情況、并追溯可能的火源位置，從而決定放置消防水袋的最優(yōu)方式，那么火災(zāi)造成的損害可能會(huì)嚴(yán)重得多。

第三是譜像功能，紅外慧眼能夠看清楚光譜分布。譜像就相當(dāng)于人臉識(shí)別、指紋識(shí)別，因?yàn)椴煌奈矬w光譜都是不同的。如果事先將光譜放在數(shù)據(jù)庫中，那就相當(dāng)于采集我們的指紋，后續(xù)就可以比較了。停在月亮背面的嫦娥四號(hào)就有紅外成像光譜儀，能夠通過采集月亮表面的光譜來分析月亮的成分。

剛才說的是光電探測(cè)器，是人造的眼睛，是幫助你看。而接下來要說的隱身技術(shù)，目的就是不讓你看到了。隱身技術(shù)在神話中就有，這是我們?nèi)祟惖囊环N理想、一種向往。但現(xiàn)在通過光學(xué)的原理，能夠起到這樣一種“隱身”的作用。這就不得不要提到一種“隱身術(shù)”——柱鏡光柵隱身。

我們來做個(gè)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)這里的每一個(gè)豎直圓柱狀凸透鏡都能把平行于它的物體縮小變細(xì)，一排圓柱狀凸透鏡形成光柵，這種情況下就會(huì)產(chǎn)生若干個(gè)細(xì)到被眼睛忽略的成像，這樣就實(shí)現(xiàn)了視覺上的“隱身”。這種隱身的現(xiàn)象并不完整，因?yàn)楦淖兎较蚓陀帜鼙豢匆娏恕Ｋ裕嬲龀鲆粋€(gè)好的隱身，還需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

比如飛機(jī)這么大，如何隱身？通過雷達(dá)波紅外隱身，削弱檢測(cè)雷達(dá)的反射波、降低或改變目標(biāo)的紅外輻射特征，使其與背景環(huán)境接近，將目標(biāo)與背景融為一體，而不被對(duì)方紅外探測(cè)器偵察到，也就實(shí)現(xiàn)了隱身。目前，紅外隱身、雷達(dá)波隱身都在研究中，針對(duì)飛機(jī)涂層的超材料研究也在進(jìn)行。

那么做出真正的隱身衣，需要哪些條件？首先需要有創(chuàng)新的思維，其次必須要有一定的工藝和技術(shù)，最后還要有面對(duì)失敗仍能堅(jiān)持不斷重復(fù)的工匠精神。當(dāng)光通過制作隱身衣的材料時(shí)，由于它調(diào)控了光學(xué)的參數(shù)，會(huì)形成一個(gè)電磁波空洞，如果你正好躲在空洞中，那就誰也發(fā)現(xiàn)不了你，這樣就真正實(shí)現(xiàn)了“隱身”。目前，這樣的隱身衣還沒做出來，但只要有需求，肯定超材料的研究會(huì)朝這個(gè)目標(biāo)繼續(xù)深入。

慧眼與隱身，既要看又不讓你看到，科學(xué)研究充滿著這些新奇的現(xiàn)象。所以我們對(duì)青少年說，科技探索永無止境，我們認(rèn)識(shí)世界、掌握規(guī)律、提升技術(shù)、實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，最后的目標(biāo)是造福人類。