Advanced Materials | 基于机器学习实现流体力学隐身传感

近日，复旦大学物理学系黄吉平教授课题组联合中国工程物理研究院研究生院等研究力量，在流体动力学超构材料与机器学习交叉领域取得新进展：提出并实验验证了基于各向异性流体超构材料壳层的“隐身传感”机制，首次在存在渗透率（permeability）失配的情况下，实现了无失真的高保真流场压力测量。相关研究成果以“Invisible Hydrodynamic Sensing via Metamaterial Shells Optimized by Machine Learning”为题于2026年2月16日发表于《Advanced Materials》。黄吉平教授、金鹏博士、杨福宝博士（中国工程物理研究院研究生院）为论文的共同通讯作者；复旦大学物理学系博士生李雅鹃为第一作者，合作者包含复旦大学物理学系博士生周宇鸿、王译浠、江宛彤。

高保真的流场映射是微流控诊断、生物医学分析（如靶向药物输送）和环境自动化监测等先进技术的基石。然而，传统流体传感领域长期面临一个基础性物理悖论：测量行为本身（即将传感器作为异物引入流场）不可避免地会改变被测物理量。当传统传感器的渗透率与周围环境不匹配时，会引起局部压力场畸变和流线的偏折。这导致收集到的数据反映的是受干扰后的流场，而非真实的无干扰流场，从根本上限制了测量的准确性和系统的鲁棒性。

研究亮点

针对上述挑战，研究团队建立了一个融合流体力学理论与深度学习的数据驱动逆向设计框架，实现了流体力学传感的“内部高保真探测”与“外部非侵入隐身”。在理论层面，团队基于低雷诺数下的达西定律（Darcy's law）和散射相消理论，系统推导了二维及三维空间下实现完美流场匹配所需的各向异性渗透率严格约束条件。基于纯理论连续介质模型的有限元数值模拟表明，由于理想的各向异性超构壳层能够精确引导流体径向与切向的流动，置于核心区域的传感器所读取的压力场完美等效于无障碍物时的背景压力。与裸露传感器相比，该纯理论设计将压力测量误差大幅降低了四到五个数量级，展现了近乎完美的保真度。

为了将这一纯理想的理论参数转化为真实物理世界中可制造的器件，团队面临着微观几何不对称性带来的多维设计壁垒。为此，研究引入了多层感知机（MLP）深度神经网络，通过对海量仿真数据进行训练，实现了从“目标理论渗透率”到“椭圆柱多孔微观结构参数（长、宽、长轴、短轴）”的高通量精准逆向映射，渗透率的预测误差被严格控制在1%以内。

进一步，为跨越理论均质化与物理离散多孔骨架之间的鸿沟，团队采用机器学习给出的最优参数，构建了宏观微流控实验平台，通过染料示踪和粒子图像测速技术（PIV）的可视化与定量分析证实，由机器学习逆向设计的各向异性超构壳层成功在宏观上抹平了传感核心带来的流场扰动。最关键的是，背景流场中的宏观等压线被完美恢复为平直状态。这意味着传感器在压力场中实现了真正的“物理隐身”，从而能够准确读取真实的背景流场信息。

图：流体力学隐身传感的理论概念与机器学习逆向设计框架。(a)二维流场传感器理论模型示意图。(b)宏观实验平台与微观结构示意图。(c)机器学习（MLP）逆向设计架构。(d)压力梯度分布的定量验证。