神奇超材料——研究背景、技术演进、产业布局及展望

超材料是一种通过人工微结构在亚波长尺度内精确调控物理场的复合材料或结构阵列，是近年来由科学界兴起、被工程界广为关注的全新材料构建范式，不仅在宏观上展现出超越传统天然材料的奇异特性，还可实现结构功能一体化。自2010年起，超材料研究已遍布与“波”相关的所有领域，包括电磁、声学、力学、热学和量子等领域，并多次入选《科学》杂志评选的年度十大科技进展，被评为21世纪前十年影响人类的十大科技突破之一。由此衍生的相关技术也已深入各行各业，尤其在无线通信、雷达隐身、减振降噪、热能转换、高精度成像、高灵敏传感等多个领域产生了颠覆性效应。本章沿着超材料发展脉络依次对研究背景、研究进展和前沿动态展开介绍，不仅从发展全局的视角系统论述我国在该领域中的典型成果与国际定位，并且从技术演进和产业布局的角度分析超材料领域的未来发展趋势与重点。

1、超材料的研究背景
自然材料特性主要由构成材料的微观粒子（如分子、原子等）的本征属性和排列形式（如晶格化、非晶格化等）决定。但微观粒子的物理尺寸很小，仅能和波长与之可比的微观物理场（如可见光）相互作用，对宏观物理场（如微波、声波等）的操纵能力有限。为解决该难题，超材料技术通过构建尺寸介于微观粒子和宏观物理场波长之间的人工微结构，增强对宏观物理场特性的操纵能力，突破自然材料的能力边界，例如实现负介电常数、负磁导率、零折射率和等效负质量等，解决科学和技术发展的迫切需求（例如完美隐身、超分辨透镜等）。更重要的是，超材料技术仅通过结构尺寸的精细设计即可定制宏观物理场响应，颠覆了传统自然材料体系需要研究组分特性、寻找适当配比的材料合成方式，实现了基于宏观物理场认知的按需逆向设计。
追溯概念源头，超材料研究最早萌芽于电磁学领域。早在20世纪60年代，苏联科学家V.G. Veselago就设想了一种介电常数和磁导率均为负数的左手材料，并利用理论预测了该材料特有的负折射、逆多普勒效应和反向切连科夫辐射等新奇电磁现象。但是，由于当时无法合成这种特异材料，相关的科学研究也陷入沉寂。直到20世纪90年代后期，英国帝国理工学院的John Pendry爵士提出用周期排列的细金属线和开口谐振环结构在微波段分别实现等效负介电常数和负磁导率的新思想。基于该思想，美国加州大学圣地亚哥分校的David Smith教授在2001年首次实验制备了左手材料，并在实验中观测到负折射现象。这一突破常规物理认知的材料立即引起了物理学界与工程界的极大关注和广泛讨论。为了定义这类人工材料，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Rodger Walser教授于2000年在美国物理学会春季年会上正式提出超材料（Metamaterial）的概念，即一种通过人工构造周期结构来实现电磁谐振激发的、非天然存在的宏观三维复合材料。之后，超材料的理念被推广至声学、力学和热学等其他学科，用以实现其他反常物理特性，例如力学中的负刚度、声学中的负模量、热学中的负膨胀等。由此可见，超材料的早期研究主要着眼于探究反常的物理特性，忽视了对其应用方式的挖掘，尤其是作为材料构建范式的挖掘。

 图1：超材料概念的演进示意图

随着研究的不断深入，超材料的概念内涵和方法论也被不断丰富拓展。特别是变换光学方法的提出，填补了超材料按需操控物理场的方法论空白，使相关研究不再拘泥于反常材料参数的实现，转而着眼于材料参数及其空间分布的按需灵活设计。例如，通过各向异性结构按需设计张量形式的非均匀材料参数实现了完美电磁隐身衣。为了更贴近应用，超材料领域的研究者进一步突破了三维立体构型的限制，相继提出了超表面（即平面超材料）、超器件和超系统等概念，甚至抛弃了传统材料参数的描述方式，转而直接通过幅度、相位、波矢量、极化等参数进行特性表征。超材料概念的演进脉络如图1所示。总之，超材料及相关技术发展至今呈现出明显的泛化趋势，“超材料大家族”涌现出越来越多的新概念、新结构、新方法、新功能和新应用。一般而言，具有如下两个特征的人工复合材料即是超材料：在结构方面，由人为设计的亚波长微结构按特定方式排列而成；在功能方面，具备强大的物理场操纵能力。

2、超材料的研究进展与前沿动态
目前，超材料是物理、材料、电子、信息等学科的技术前沿，从根本上颠覆了材料的构建范式，提供了宏观物理场操控的一般性方案，催生出诸多从无到有的相关应用。本节将按学科分类分别介绍电磁 / 光学、声学、力学以及热学超材料相关的研究进展和前沿动态，并总结超材料技术的发展趋势及其在科学研究、国计民生和国防技术等方面的显著效用。
2.1 电磁超材料
电磁超材料（包括微波、毫米波、太赫兹、红外及光学超材料）是研究者最先关注、影响最为广泛的超材料分支，甚至在较长一段时间内超材料一词专指人工电磁媒质。自2001年首次在实验室制备出具有负折射特性的微波超材料以来，研究者不仅探索了诸多颠覆传统认知的电磁新理论、新方法，而且创造了诸多前所未有的新奇应用，丰富了电磁器件及系统的构建范式。
电磁超材料发展至今，诞生了诸多具有开创性意义的新原理概念与研究方法，产生了一系列具有颠覆性影响的理论创新，极大地推动了电磁学的跨越式发展。电磁超材料最早可追溯到Veselago提出的左手媒质（或称左手材料）概念。但直到1996年，Pendry 爵士等人才首次利用金属线阵列在微波段构造出等效的负介电常数材料，随后又提出利用金属开口谐振环阵列构造等效负磁导率材料。
2001年，美国杜克大学的Smith教授等人将这两种结构结合在一起构建了负折射率媒质，如图2所示，开启了现代超材料的研究。此后各国科学家相继开展了对超材料原理与特性的深入探索，逐步完善了电磁超材料的理论体系。例如，本章作者与麻省理工学院孔金瓯教授合作证明了具有色散特性的左手媒质亦满足时间因果性及电磁能量恒为正的特性，部分解决了当时学术界对这一新兴研究方向的质疑。事实上，左手媒质的概念并非仅存在于空间波体系中，在微波网络的体系中仍然适用。例如，多伦多大学的Eleftheriades教授和加州大学洛杉矶分校的Itoh教授证明了在二维传输线网络中由串联电容和并联电感组成的LC传输线网络可在一定的条件下等效为具有负介电常数和负磁导率特性的网络。其后，该方面的研究引起了众多微波工程师和研究者的关注，他们相继开展了一系列基于左手媒质的电路实验和功能器件研究，包括但不限于基于LC传输线网络的电磁波局域效应、凋落波放大实验、高功率密度产生、任意双波段微波器件和超宽带微波滤波器等。这一系列工作对提升微波电路性能、丰富微波电路应用场景具有重要意义。

图2：电磁超材料相关内容

左手媒质虽然具有很多超常的物理特征（例如采用负折射率材料实现超分辨率成像的完美透镜），但频带窄和损耗大等缺点也极大限制了左手媒质的应用范围。为了突破这一瓶颈，英国圣安德鲁大学的Leonhardt教授与帝国理工大学的Pendry 爵士于2006年分别独立提出了变换光学的理念，并据此提出完美隐身斗篷的概念和设计方法，而后杜克大学的Smith教授团队于同年月成功完成了隐身斗篷的实验验证。随后，Smith教授团队与崔铁军院士团队（即作者团队）合作，利用电磁超材料研制了首个宽带和低损耗的“二维隐身地毯”。这一工作将地面目标上覆盖隐身地毯的物理空间进行坐标变换，模拟成地面上空无一物的虚拟空间，并利用变换光学理论获得宽带可实现的隐身地毯媒质参数空间分布。随后，作者团队和德国卡尔斯鲁尔大学的Wegener教授相互独立地研制出不同频段的“三维地面隐身衣”。2009年，美国加州大学伯克利分校、香港大学张翔教授团队进一步利用变换光学模拟天体周围的引力势，从理论上展示了光束被天体势吸引直至被吸收形成光学黑洞的实验室模拟方案。同年，作者团队在微波波段实现了第一个人造电磁黑洞。事实上，变换光学为灵活构建具有新型电磁功能的超材料提供了理论指导，极大地拓展了超材料的应用边界，是电磁超材料领域的一大标志性创新成果。

除了对空间电磁波的有效调控之外，电磁超材料亦可实现对表面导行电磁模式的有效操控，近年来兴起的人工表面等离激元即是其中典型的代表成果。在2004年，Pendry爵士与合作者发现在金属表面引入周期分布的介质孔阵列结构可将金属表面的表面等离子体频率降低至远红外以下的频段，从而在微波段实现“人工”表面等离激元模式。这种电磁模式的物理特征与自然界中光波段表面等离激元的特征极其相似，同样拥有场约束、场增强等优异物理特性，相比于自然存在的表面等离激元还具有低损耗、色散可调控等全新优势，因此迅速获得了研究者的广泛关注。其后，西班牙马德里自治大学的Garcia-Vidal教授团队将此概念引入局域化表面等离激元的研究领域，构建了人工局域化表面等离激元模式。随后，为了克服传统人工表面等离激元构型难以与主流平面工艺相互兼容的问题，作者团队于2013年提出了一种超薄（接近于零厚度）人工表面等离激元结构，可演化出共形人工表面等离激元与超薄人工局域化表面等离激元两种构型，前者可作为一种新型的高性能传输线，后者则可被作为小型化谐振器使用，为现有微波技术的困境提供全新的解决途径，为微波系统的性能升级与技术革新提供崭新的解决方案。
电磁超材料对表面波有效操控的另一个代表性成果是微波和光学拓扑绝缘体。这是一种具有非平凡拓扑性质的电磁结构，可形成受拓扑保护的边界态，具有高度鲁棒性和单向传输等奇异性质，是电磁超材料领域近些年的新兴研究热点，受到科研工作者的广泛关注。在2005年，Haldane和 Raghu教授率先把电子体系的拓扑绝缘体概念 拓展到光子学体系中，提出了光子系统中的拓扑相，由此在电磁（玻色子）体系中构建起了与凝聚态（费米子）拓扑体系并行的光子拓扑物理学，进而催生了一系列基于电磁拓扑材料奇异物理特性的理论探索与应用研究。例如，张霜教授团队于2017年首次利用超材料在微波频段实验观测到了四个等频Weyl点，其对应的表面态可沿着三维超材料的表面进行无散射传播。中山大学的董建文教授团队利用谷自由度设计并制备了一种绝缘体上的硅拓扑光子超材料，可在光通信波段实现亚微米量级耦合长度的宽带光子路由行为；斯坦福大学的范汕回教授团队在 2016年设计了一种二维蜂窝状谐振环阵列结构，利用谐振环的等频模式构建综合维度，从而在二维结构中观测到了Weyl点；近期，新加坡南洋理工的张柏乐教授团队设计制备了一种带有不同大小三角形孔的全硅芯片，实现了太赫兹频段能谷依赖的拓扑数据传输。
早期的超材料具有三维构型且体积较大，不利于构建小型化、集成化的系统。为了解决上述问题，科学家们创造性地提出了超表面的概念，可看作超材料的二维版本，具有低剖面、低损耗、易加工的优势。这一概念来源于哈佛大学Capasso教授团队于2011年提出的广义斯涅尔定律，即利用人工结构在分界面处构建梯度分布突变相位改变电磁波，进而达到调控电磁波传播方向的目的其后，复旦大学周磊教授团队基于这种崭新超材料形式设计实现了可将空间电磁波模式完美转化成表面束缚模式的梯度超表面。此外，为了兼顾调控效率，密歇根大学Grbic教授团队将惠更斯原理引入超表面的设计中提出了惠更斯超表面的概念。从构成原理而言，超表面通过人工引入的突变相位打破了传统的光学元件动力学相位调控方式依赖路程积累的困难，使得在亚波长尺度内构建光学元件成为可能。此外，这种亚波长结构特性可以极大地抑制高阶衍射项，从基本原理上弥补了菲涅尔透镜等传统衍射元件的不足，使得完美调控空间电磁波成为可能。由此可见，超表面概念的提出符合超材料领域发展的趋势，催生了一系列原创概念（如编码超表面、信息超表面等） 和新奇应用（如波束偏折调控、新型天线设计、电磁隐身和伪装等），对电磁超材料领域乃至整个电磁学领域产生了深远影响。
电磁超表面具有强大的电磁场精细化操纵能力，在波前设计与信息感知等方面具有重要的应用价值，为构建新型信息器件与系统、丰富电磁应用体系提供了诸多创新性成果。例如，Khan教授等人于2017年利用开口谐振环结构实现了对入射角不敏感的极化转换器，该工作在5～10.8GHz的极化转换率高达90%以上；2010 年，Ye等人设计了一种由双层手性超材料组成的透射型线性极化转换器，随后该团队利用双圆形开口谐振环又设计实现了一种多频点圆极化转换器等。2015年，张霜教授研究团队利用C3及C4旋转对称结构实现了一种非线性超表面，可有效地产生二次谐波并对其一阶和二阶衍射进行独立调控；同年，澳大利亚技术大学顾敏教授团队利用氧化石墨烯构造的超表面实现了高效超宽带的三维亚波长聚焦；2016年Yu教授研究团队设计实现了工作在5.8GHz的平面反射阵电磁超材料，形成了沿z轴正方向传输的单一模式OAM涡旋波；2017年，电子科技大学程钰间教授团队实现了一种工作在32GHz的低剖面反射阵，通过将馈源嵌入到电磁超表面中实现了低剖面集成化的涡旋波发生器；2018年西安电子科技大学杨林教授团队提出了一种工作在10GHz具有极化转换功能的OAM平面反射阵，该设计通过改变馈源的入射方向，可反射出线极化或圆极化的OAM波。
传统超材料或超表面的固有局限之一是一旦制备完成则功能即被固化，难以实现实时大范围调控。为了克服这一难题，崔铁军院士团队在2014年提出了数字编码和现场可编程超材料的概念，2017年进一步将该概念拓展为信息超材料和信息超表面。信息超材料完全颠覆了传统电磁超材料通过模拟化的材料参数进行表征的体系，创造性地由物理单元的数字编码来进行描述，允许通过控制不同的编码序列来实时大范围地调控电磁波行为，进而实现超材料功能的现场可编程。从信息科学与超材料领域融合的观点出发，信息超材料的最大特点是在超材料的物理空间上构建了数字空间，允许在调控电磁波物理特征的同时实现对数字信息的直接调控，进而涌现出一系列诸如信息熵、卷积定理、加法定理等可以同时进行信息编码处理和电磁波的幅度/相位/极化/频谱/波束灵活调控的全新方法。因此，信息超材料将电磁超材料的研究从物理、材料、器件层级推向新的构架系统层级，通过将微波射频和数字信息处理有效融合，实现了基于信息超材料架构的全息成像、微波成像和无线通信系统。
与其他领域的超材料发展相比，电磁超材料具有先发优势，始终处于国内外科学研究前沿，由此诞生的原理与应用创新也被其他领域广泛借鉴。近年来与人工智能、集成电路等前沿技术相融合，电磁超材料继续保持迅猛的发展势头，有望为生产生活方式的革新提供重要的技术驱动力。
2.2 声学超材料
由于电磁波和声波具有共同或相似的波参数概念（例如波矢、波阻抗和能流等），且均满足波动方程，因此研究者最早将电磁超材料的设计思想移植到声学领域，由此诞生了声学超材料的全新概念。声学超材料是由亚波长人工结构经过特定设计而构建的新型复合声学材料，一经提出便引起了广泛关注。与传统声学材料相比，声学超材料允许研究者通过改变结构构型来实现对声波的灵活控制，并由此诞生了一系列原理创新和应用创新成果，如图6-3所示。

综上所述，声学超材料保持着迅猛的发展趋势，人工设计的声学超材料可根据需求实现对声波的任意调控，并正在从基础研究向应用领域加速转变。未来声学超材料将在高清超声医疗成像、水中舰艇声呐隐身、城市噪声污染有效控制等方面发挥重要作用。
2.3 力学超材料
力学超材料亦称机械超材料，是由声学超材料衍生出的超材料新分支。一般而言，力学超材料新奇的力学特性源于人工单元排列的几何构型，因此通过合理设计结构布局可实现前所未有的力学性能，如超刚性、拉伸性、负热膨胀和负压缩性等。
力学超材料的发展晚于电磁超材料和声学超材料，其基本原理和设计思想与声学超材料一脉相承。其更大的价值主要体现在将超材料技术引入力学材料的构建之中，将超材料的应用场景进一步推广。与电磁超材料和声学超材料相比，力学超材料的研究规模相对较小，但超材料仍诞生了一系列具有代表意义的创新应用成果。其中，美国弗吉尼亚理工大学Zheng教授研究团队设计了一种金属基质的力学超材料，兼顾高强度和超低密度的特点，并具有超高的压缩和拉伸性能，其设计尺度可以跨越7个量级，在光子器件、能量存储和转换、生物医学及电子设备等领域具有巨大的应用潜力。北卡罗来纳州立大学Yin教授与耶鲁大学Zhang教授团队提出了一种由多功能子构建块构成的3D剪纸超材料，具有功能可重构的独特性能。

在过去几十年中，诸多工程器件的设计——大到航天飞行器，小到汽车、运动器材 等——都迫切需要新型力学材料来满足日益苛刻的力学设计要求。而力学超材料的出现，有望通过人工单元结构的精确设计和综合应用，从根本上解决这一机械领域的难题。
2.4 热学超材料
与声和光的波动行为不同，热传导满足的是扩散方程，而扩散方程和波动方程的物理机制迥异，因此以扩散方程为主导的热学超材料研究起步较晚。借鉴电磁超材料的设计思想，热学超材料通过人工结构设计来实现热导系数按需分布，进而推动新奇热学现象的实现和热学器件的研发。
热学超材料一经提出便发展势头迅猛，在原理创新和应用创新方面均有突出贡献，如图6-5所示。例如，新加坡国立大学李保文和仇成伟教授团队基于共振和非相性系统声子频率随温度改变的原理提出了热二极管的理论模型；复旦大学黄吉平教授团队、法国Guenneau教授团队分别通过不同方式将变换光学理论迁移至热学领域，提出了“热学隐身”的概念。基于热学超材料的热学隐身已被验证，德国卡尔斯鲁尔工业大学的Wegner教授团队于2013年率先报道了热隐身斗篷的实验工作；南洋理工大学张柏乐教授团队在实验上实现了三维球形热隐身斗篷；Farhat 教授团队基于散射抵消原理设计出了一种热隐形披风，通过热学超表面结构设计，可抑制隐身区域散射，进而实现隐身效果；在热隐身斗篷的基础上，新加坡国立大学的李保文和仇成伟教授团队进一步实现了具有热幻象或热伪装功能的隐身斗篷，García-Meca教授团队最近提出了一种空间-时间转化的热动力学理论， 并设计实现了一款热隐身区域半径随时间变化的热隐身斗篷。在热流传输方面，新加坡国立大学李保文和仇成伟教授团队使用热学超材料扇形单元对热流位置进行精确控制，实现了热流聚焦、均匀加热、热收集等功能。此外，科学家们还提出了多种热信息器件模型，如热二极管、热三极管、热逻辑门和热存储器等 。

在科学研究方面：超材料技术的诞生颠覆了物理学的传统认知，改变了材料学的构建方式，在科学共同体中产生了巨大影响，多次被《科学》等权威杂志评为“全球十大科技突破”之一。例如，负折射率左手材料的相关研究入选《科学》杂志评选的“2003年全球十大科技突破”；隐形斗篷相关工作入选“2006年全球十大科技突破”；光学无色差超透镜工作入选“2016年全球十大科技突破”。2007年，《今日材料》将超材料评选为材料科学领域过去50年的十大科学进展之一；2010年，电磁超材料被《科学》杂志评为“21世纪影响人类的十大科技突破”之一。

在应用研究方面：超材料极大地改变了材料器件的设计模式，有望突破传统信息技术的系统架构，构建技术领域的非对称优势。因此，超材料的突破性进展也引起各国军事技术和工程技术方面的广泛关注。美国军方率先将超材料应用于新一代武器装备，美国国防部长办公室（ASD-R&E）把超材料列为“六大颠覆性基础研究领域”之一，美国国防部先进研究项目局（DARPA）把超材料定义为“强力推进增长领域”，美国空军科学研究办公 室（AFOSR）把超材料列入“十大关键领域”。美国权威调研机构n-tech Research 研究表明，2015年DARPA在超材料领域的投资增长了75%。除了美国之外，其他各国也在积极推进超材料在尖端装备上的应用，俄罗斯、日本等国以及北约、洛克希德马丁公司、波音公司、雷神公司、英国BAE系统公司、日本三菱集团等机构长期支持超材料的研究和应用。

在民生产业方面：以信息超材料为代表的新一代超材料技术演进有助于促进产业升级，推动产业变革。例如在移动通信领域，信息超材料被认为是未来6G移动通信的重要使能技术之一，可突破现有通信技术在信号区域补盲、信息容量扩大、信息质量提升等方面的桎梏，为提供更优质的通信服务奠定技术基础。此外，超材料技术还将广泛应用于医疗检测、遥感遥测、传感成像和人工智能等诸多产业领域，有望促进各领域产业技术的迭代升级。为此，国外多家民用领域商业巨头，如英特尔、AMD和IBM等六家公司也成立了超材料联合研究基金，用以支持超材料在前沿领域的研发和探索。尤其信息超材料作为电磁超材料的最新成果，因强大的信道调控能力被遴选为6G的七项关键技术备选方案之一，其中IMT-2030智能超表面国际标准由作者团队成员具体负责制定。可以预见，信息超材料技术一旦应用，将颠覆民用通信等领域传统技术范式，展现出巨大的应用潜力。

3、我国在超材料领域的学术地位及发展动态
虽然起步略晚，但我国在超材料领域的研究后来居上，涌现出了一批具有行业影响力的超材料研究团队，例如南京大学祝世宁院士团队、北京大学龚旗煌院士团队、香港大学张翔教授团队、上海理工大学顾敏教授团队，诞生了一系列有代表性意义的科研成果，例如香港城市大学蔡定平教授团队研究的光学超材料、清华大学周济院士团队开发的全介质超材料、中科院光电研究所罗先刚院士团队研发的光学超材料、复旦大学周磊教授团队研发的电磁超材料、天津大学张伟力教授团队发展的太赫兹超表面、浙江大学何赛灵教授和陈红胜教授团队研究的电磁超材料、浙江大学彭华新教授团队研发的超复合材料、山东大学范润华教授团队提出的随机微结构超材料、南京大学陈延峰教授团队和北京理工大学胡更开教授团队研究的声学超材料、复旦大学黄吉平教授团队研发的热学超材料，以及东南大学崔铁军院士团队（即作者团队）提出的信息超材料等，均对超材料领域的理论创新和应用发展起到了重要的推动作用，为我国超材料技术赶超国际前沿提供了原始驱动力。
我国政府也对超材料技术予以了高度的关注，在2016年3月，“十三五”规划纲要明确提出，需要大力发展以超材料为代表的新型功能材料，这标志着推动超材料领域发展已经上升为国家战略。在项目支持方面，超材料已成为我国重点投入方向之一，陆续有“863计划”、“973计划”、国家自然科学基金重大项目和重点项目、“变革性技术”国家重点研发计划项目等重大科学研究项目给予了大力支持，不仅培养了一大批超材料领域的科研人才，而且促进了诸多创新性研究成果的诞生，成果覆盖了多个学科领域，推动了超材料技术应用潜力的发掘，为解决多项“卡脖子”问题提供了可行途径。
3.1 电磁超材料
电磁超材料在我国超材料研究中开展较早，发展较快，且体系较完善。纵观整个电磁超材料领域，我国处于全局并跑、局部领跑的地位，涌现出一系列具有国际影响力的科研团队， 如南京大学祝世宁院士团队、北京大学龚旗煌院士团队、清华大学周济院士团队、中科院光电研究所罗先刚院士团队、东南大学崔铁军院士团队（即作者团队）、香港科技大学陈子亭教授团队、香港大学张霜教授团队、香港城市大学蔡定平教授团队、复旦大学周磊教授团队、 南京大学冯一军教授团队、浙江大学陈红胜教授团队、清华大学杨帆教授团队、天津大学张伟力教授团队、西湖大学仇旻教授团队、哈尔滨工业大学吴群教授团队和肖淑敏教授团队、南方科技大学李贵新教授团队、深圳大学袁小聪教授团队和北京大学李廉林教授团队等。

在电磁超材料等效媒质理论的构建方面，香港科技大学陈子亭教授团队、香港大 学张霜教授团队、东南大学崔铁军院士团队、浙江大学陈红胜教授团队、复旦大学周磊教授团队、兰州大学梅中磊教授团队等均开展了一系列理论研究工作，例如异形结构的等效介电常数分析方法、共振体间耦合理论等，为电磁超材料理论体系的丰富与发展做出了贡献。

在左手材料的机理研究和应用创新方面，西北工业大学赵晓鹏教授团队、电子科技大学邓龙江教授团队、空军工程大学屈绍波教授团队等开展了一系列器件研发与特性探究工作，致力于将左手材料的独特性能应用于新型天线、吸波材料等研发中，为新型微波 / 毫米波电路的构建提供了新的技术途径。

在变换光学的原理研究与应用发掘方面，南京大学祝世宁院士和刘辉教授团队、浙江大学何赛灵教授团队、厦门大学陈焕阳教授团队、东南大学崔铁军院士团队（即作者团队）、兰州大学梅中磊教授团队、西安电子科技大学李龙教授团队等均开展了深入的理论研究，如提出直流变换光学理论等，并基于变换光学原理研发了一系列新奇的电磁功能器件和系统，如新型光学透镜天线、可见光地毯隐身衣等。

在人工表面等离激元超材料方面，东南大学崔铁军院士团队（作者团队）、南京大学彭茹雯教授和冯一军教授团队、空军工程大学屈绍波教授和王甲富教授团队、南京航空航天大学李茁教授团队、南方科技大学张青峰教授团队等均开展了大量的特性发掘与功能器件研究工作，如新型低雷达散射截面（RCS）天线等，正逐步实现从跟跑到领跑的地位转变。

在光学超材料的性能发掘与应用研究方面，南京大学祝世宁院士团队、北京大学龚旗煌院士团队、中科院光电研究所罗先刚院士团队、香港大学张翔教授团队、上海理工大学顾敏教授团队、西湖大学仇旻教授团队、复旦大学周磊教授团队、香港城市大学蔡定平教授团队、南方科技大学李贵新教授团队、深圳大学袁小聪教授团队、天津大学张伟力教授团队、哈尔滨工业大学肖淑敏教授团队等进行了深入且系统的研究工作，在新奇光学现象发掘、新型光学器件设计和新型光学系统研发领域均做出了具有国际影响力的工作，如多维光场调控研究、非线性光学器件研发，以及基于光学超材料的全息成像等，为我国光学超材料的理论与应用体系构建做出了重大贡献。

在电磁超表面的特性探究方面，复旦大学周磊教授团队、香港科技大学陈子亭教授团队、南京大学冯一军教授团队、南方科技大学李贵新教授团队、浙江大学陈红胜教授团 队等均开展了系统性的理论与特性研究工作，如电磁诱导透明效应、极化转换效应、空间波-表面波高效转换、非线性产生与调控等，为电磁超表面的技术应用奠定了坚实的原理基础。

在电磁超表面的器件研发与应用探索方面，中科院光电研究所罗先刚院士团队、东南大学崔铁军院士团队（作者团队）、清华大学杨帆教授团队、哈尔滨工业大学吴群教授团队、空军工程大学屈绍波教授团队、北京大学李廉林教授团队、西安电子科技大学李龙教授团队等，致力于将电磁超表面独特的物理特性应用于新型信息器件和系统的研发，技术应用范围覆盖新型隐身技术、现代通信技术、高性能成像技术、新型传感技术等。

3.2 声学超材料
我国在声学超材料领域研究进展迅速，从基础理论到结构设计均开展了大量工作，在国际声学超材料领域中正处于由跟跑到并跑的地位转变期，涌现出了一批优秀的科研团队，如香港科技大学沈平教授团队和陈子亭教授团队、南京大学陈延峰教授团队和卢明辉教授团队、武汉大学刘正猷教授团队、西北工业大学赵晓鹏教授团队等。

在声学超材料的特性发掘方面，香港科技大学沈平教授团队、西北工业大学赵晓鹏教授团队、武汉大学刘正猷教授团队、华中科技大学祝雪丰教授团队和东南大学程强教授团队等均开展了一系列新奇声学特性的发掘与探索工作，如声学超材料中的“双负”特性研究与反常多普勒效应研究等，为后续声学超材料的应用研究奠定物理基础。

在基于声学超材料的器件研发与应用创新方面，南京大学陈延峰教授团队和卢明辉教授团队、江苏大学吴卫国教授团队、国防科技大学温激鸿教授团队等将声学超材料的优异特性应用于实际场景，在吸声降噪、声场调控、声学聚焦、水声通信等诸多领域均有重要突破，为我国声学超材料追赶国际前沿做出了不可忽视的贡献。

3.3 力学超材料
我国在力学超材料领域同样开展了深入的研究，在国际上基本处于并跑地位，涌现出一批具有代表性的优秀科研团队，如北京理工大学方岱宁院士团队、清华大学陈常青教授团队、天津大学陈焱教授团队、西安交通大学秦庆华教授团队等。在力学超材料的理论建模与特性研究方面，清华大学陈常青教授团队、中国科学技术大学于相龙教授团队、天津大学陈焱教授团队、北京航空航天大学卢子兴教授团队、浙江大学陈红胜教授团队等将超材料思想引入力学领域，开展了一系列机理研究与特性发掘工作，如在可折叠力学材料等领域做出了原创性贡献，为我国力学超材料的赶超式发展提供了可能。在力学超材料的应用创新方面，北京理工大学方岱宁院士团队、上海交通大学杨德庆教授团队、清华大学李勃教授团队、西安交通大学秦庆华教授团队等立足力学领域的前沿课题，将超材料的特性优势应用于力学材料的构建之中，在抗冲减震、增材制备、力学隐身、结构轻质化等多个领域开展深入研究，为我国力学体系的新发展、新突破奠定基础。
3.4 热学超材料
我国在热学超材料领域起步较晚，在国际上正处于从跟跑到并跑的地位提升关键期，有着广阔的发展前景，涌现出了复旦大学黄吉平教授团队、哈尔滨工业大学李垚教授团队、南京师范大学张力发教授团队、南京大学朱嘉教授团队等一批具有代表性的优秀科研团队。

在热学超材料的原理探究与性能发掘方面，复旦大学黄吉平教授团队、清华大学曹炳阳教授团队、浙江大学何赛灵教授团队等将超材料的核心思想与优异特性引入热学领域，提出了基于热学超材料的全新概念和理论，如变换热学、热学隐身等，极大地丰富了我国热学领域的理论与特性研究体系。

在热学超材料的应用开发方面，清华大学周济院士团队、复旦大学黄吉平教授团队、哈尔滨工业大学王蛟龙教授团队等开展了一系列新奇热学器件的研发工作，在热学屏蔽、热流控制、热学信息器件构造等方面发挥了重要作用。

4、超材料发展重点

综上所述，超材料技术极大提升了对物理场的定制化调控能力，有望从底层物理颠覆传统信息、热控系统的构建模式，是构筑未来移动通信、感知成像及物理智能平台的重要使能技术。经过国内外同行几十年的努力，超材料技术历经了多次内涵扩充及观念转变，已从原先的原理驱动模式转向现在的应用驱动模式，展现出显著的颠覆性效益。可以预见，未来超材料技术在进一步深化理论创新的同时将更为侧重应用端的突破，并与信息系统集成化、信息化与智能化发展的大趋势相适应。
4.1 发展超材料的集成化技术
目前超材料研究往往以单一物理性能的突破为切入点，却对其他物理性能缺乏约束，导致难以被应用于实际系统平台，例如利用堆叠结构实现的微波段隐身衣因体积和结构力学的限制无法被应用于飞机平台。而跨越此障碍就需要发展超材料集成技术，具体而言，则主要包括关注超材料本身多种物理功能兼容的内在集成技术以及关注与系统其他功能模块高度配合的外部集成技术。
突破内在集成技术需要在理论层面着力发展多物理场联合调控的理论方法，研究不同物理场激励下超材料响应的演变规律以及多条件约束下的综合性能优化方法；在技术层面着重发展结构与材料一体化设计方案，探索与其他高性能基础材料的有机融合方式以及特殊构型条件下的高效加工方法。
突破外部集成技术则需要在理论层面全力发展崭新的超材料系统观，研究超材料功能参数的整体系统效应以及超材料模块与其他系统模块间相互作用的规律；在技术层面聚力发展超材料与系统平台的集成技术方案，探索适应平台的物理嵌合方法及信息融合方法。
事实上，超材料集成化技术主要着眼于将超材料与系统平台融合为一个整体，不仅可以促进超材料应用落地，更有望以超材料的优异性能为尖刀，有效突破传统系统的固有设计模式与性能桎梏。
4.2 发展信息化、智能化超材料
信息超材料作为超材料领域最新方向之一，构建了数字信息与物理场操控之间的有效映射，赋予了超材料直接以数字化方式操控物理场的可能，是实现信息化、智能化超材料的重要潜在途径。但现有信息超材料的研究主要集中在数字化表征与操控方面，在信息感知与信息处理方面却少有涉及，尚未真正形成全信息流程的闭环，对传统系统架构的颠覆性效用并未完全显现。因此，进一步发展认知超材料和智能超材料是未来超材料演进的另一重要技术趋势。
具体而言，实现认知超材料则需要在理论层面深度挖掘融合物理场操控与数字信息处理的全新信息理论；在技术层面有效集成感知和处理模块，打通信息超材料的全信息链能力。事实上，认知超材料的发展不仅有助于提升超材料的信息获取与处理能力，并有望突破香农信息论与奈奎斯特采样定律的限制，创造全新的信息理论，从根本上颠覆现有信息系统构建范式。
而实现智能超材料则需要在理论层面突破现有人工智能理论停留在算法层面的桎梏，开发融合底层物理与上层算法的物理智能理论；在技术层面探求多层信息超表面交互技术，构建多层神经网络物理实体。事实上，智能超材料不仅是智能算法的物理载体，更是系统感知、决策与学习的中枢部件，极有可能是未来“人工脑”的使能技术。
总而言之，信息化、智能化超材料是超材料领域与现代数字信息技术深度融合的产物， 可颠覆现有系统将模拟-数字割裂的构建方式，直接在电磁空间上实现信息的通信、感知与处理一体化协同，代表着超材料技术与多领域融合的发展方向。

5、总结与展望
综上所述，超材料作为近几十年来材料科学、电子科学以及信息科学领域的前沿热点， 可通过特有的物理场精细调控能力重塑材料的构建范式、突破传统信息系统的架构体系，是一种具有颠覆性效应的结构功能一体化人工复合材料。该技术领域历经了数十年的蓬勃发展已经渗透到信息工程的方方面面，对信息通信、人工智能等核心产业均有显著影响。更为重要的是，得益于我国在超材料技术研究方面持续不断的人力物力投入，我国超材料领域整体处于与国际并跑的阶段，甚至在个别子领域（例如信息超材料领域）位于国际领先地位。因此，我国有望在2027年前通过超材料技术的局部优势突破西方国家的产业封锁，部分解决我国现有“卡脖子”问题，甚至在2035年左右借助超材料的颠覆性效应促进信息产业代际更迭，助力我国相关产业弯道超车，实现《中国制造2035》的宏伟蓝图。

 （来源：材料圈）