打破變換光學(xué)理論限制 遺傳算法助力隱身器件設計

  ICC訊 近日，廈門(mén)大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳煥陽(yáng)教授團隊提出了運用遺傳算法設計隱身器件的方案，并成功設計出可作用于微波頻段和太赫茲頻段的隱身器件。相關(guān)成果發(fā)表于《物理評論E》。

  隱身是指物體對人眼或電磁探測不可見(jiàn)的現象。隨著(zhù)變換光學(xué)理論的不斷發(fā)展，科研人員通過(guò)操縱光和物質(zhì)相互作用來(lái)實(shí)現物體隱身逐漸成為可能，但要想在現實(shí)中設計出完美的隱身器件，仍存在巨大挑戰。

  此次研究中，科研人員將人工智能算法與傳統電磁理論相結合，通過(guò)機器學(xué)習來(lái)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(yōu)解。

  “我們用到的設計隱身器件的遺傳算法是一種受到生物進(jìn)化啟發(fā)的學(xué)習方法。該算法通過(guò)模擬自然進(jìn)化過(guò)程搜索最優(yōu)解?！标悷?yáng)表示。該研究將隱身器件的最小化散射截面設為優(yōu)化目標，將隱形器件的幾何結構、材料及工作波長(cháng)這些變量定義為遺傳算法中的個(gè)體染色體。優(yōu)化過(guò)程從隨機生成由隱身器件組成的種群開(kāi)始，通過(guò)解析計算每個(gè)隱身器件對應的散射截面，運用遺傳算法進(jìn)行選擇、交叉和變異等操作，選擇最優(yōu)個(gè)體參與下一代繁殖，并重復該過(guò)程直至找到全局的最優(yōu)方案。

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

  此次研究的成果打破了變換光學(xué)理論對于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(shí)用的方法，有望加速推動(dòng)隱身器件從理論走向應用。