打破變換光學理論限制 遺傳演算法助力隱身器件設計

近日，廈門大學物理科學與技術學院陳煥陽教授團隊提出了運用遺傳演算法設計隱身器件的方案，並成功設計出可作用於微波頻段和太赫茲頻段的隱身器件。相關成果發表于《物理評論E》。

隱身是指物體對人眼或電磁探測不可見的現象。隨著變換光學理論的不斷發展，科研人員通過操縱光和物質相互作用來實現物體隱身逐漸成為可能，但要想在現實中設計出完美的隱身器件，仍存在巨大挑戰。

此次研究中，科研人員將人工智慧演算法與傳統電磁理論相結合，通過機器學習來探索光子器件的隱身性能，在最小化人為干預前提下，找到了針對多種散射體隱身器件的設計最優解。

“我們用到的設計隱身器件的遺傳演算法是一種受到生物進化啟發的學習方法。該演算法通過模擬自然進化過程搜索最優解。”陳煥陽表示。該研究將隱身器件的最小化散射截面設為優化目標，將隱形器件的幾何結構、材料及工作波長這些變數定義為遺傳演算法中的個體染色體。優化過程從隨機生成由隱身器件組成的種群開始，通過解析計算每個隱身器件對應的散射截面，運用遺傳演算法進行選擇、交叉和變異等操作，選擇最優個體參與下一代繁殖，並重復該過程直至找到全局的最優方案。

研究人員用該方法分別設計了可作用於微波頻段與太赫茲頻段的雙層圓柱隱身器件。倣真過程顯示，隨機初始化的隱身器件一般散射較強。隨著進化過程的進行，散射逐漸變弱最終實現了隱身。此次研究發現，六角氮化硼、射頻材料等天然材料及其層狀結構能實現多頻甚至寬頻隱身。此外，研究還首次發現雙曲色散材料或雙曲超材料也能實現隱身，突破了此前變換光學的認知。

此次研究的成果打破了變換光學理論對於隱身器件設計的限制，為設計多頻甚至寬頻隱身器件提供了較為高效而實用的方法，有望加速推動隱身器件從理論走向應用。