由雪球转发，何为超材料：花钱得到的一篇好文与大家分享（光启技术）：
清茶荟
基本概念
“超材料”一词最初由美国德克萨斯州大学奥斯汀分校Rodger M. Walser教授提出，用来描述自然界不存在的、人工制造的、三维的、具有周期性结构的复合材料。尽管各种科学文献给出的定义也各不相同，但一般都认为“超材料”是具有通过人工结构作为基本功能单元、能够实现自然材料不具备的超常物理性质的人工材料。
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。
早在20世纪60年代，苏联科学家V.G. Veselago提出的一个思想实验。他预测，如果有某种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率，电磁波在该材料中传播时的电场矢量、磁场矢量以及波矢量之间的关系将不再遵循经典电磁学中的“右手定则”，而呈现出与之相反的“左手关系”，这时材料中电磁波的波动方向和能量传播方向相反，并表现出一系列有违常理的行为，例如光的负折射、反常多普勒效应、倏逝波放大、完美透镜效应，以及反常切连科夫辐射等。然而，众所周知，同时具有负介电常数和负磁导率的材料在自然界中是不存在的，因此，Veselago的预言在相当长的时间内未能得到科学界的重视。
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，利用电路板加工方法，制备了金属线与SRR结构阵列复合结构，直接观测到了微波频段的左手性电磁波透射通带和负折射行为。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。
基于金属线与SRR结构阵列复合结构的左手材料
左手材料的实现改变了人们的一些固有观念，昭示人们可以在不违背物理学基本规律的前提下，通过人工功能单元的设计，获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”。从材料科学的角度看，超材料的意义远远超越了左手材料等几种人工材料本身，它提供了一种全新的材料获取方法，即针对需求进行逆向设计，通过设计“人工材料基因”来构建材料的功能。
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。
超材料概念的演进示意图
超材料的重大科学价值及其在诸多应用领域呈现出革命性的应用前景得到了世界各国政府、科技界、产业界，以及国防部门的密切关注。美国国防部启动了关于超材料的多项研究计划，美国大型的半导体公司如英特尔、美国超威半导体（AMD）和国际商业机器公司（IBM）等也成立了联合基金资助相关研究。欧盟组织了50多位顶尖的科学家聚焦这一领域的研究，并给予高额经费支持。日本在经济低迷之际出台了一项研究计划，支持至少两个关于超材料技术的研究项目，每个项目的研究经费约为30亿日元。
研发进展
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。
在电磁超材料方面，科学家对各种电磁谐振结构进行了优化，发展出了多种基于金属线和SRR环的衍生结构以及介质结构的人工原子，并设计研制出了隐身斗篷、完美透镜等新型超材料器件；与此同时，将微纳加工技术引入到了超材料的制备，发展出了可在光学频段下工作的各种超材料和器件。近年来，超材料也从电磁领域逐渐走向了力学、声学、热学以及传质等领域，一系列具有超常性质和奇异功能的新型超材料相继问世。
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。
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，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。
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。
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，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。
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。
他们指出，具有特定磁导率和介电常数分布的超材料可以控制电磁波传播，并干扰电磁波的传播轨迹，使其发生弯曲。因此，可以利用电磁超材料制备的套型装置，引导电磁波绕过目标物体之后返回原始的传播轨迹，给观察者造成一种物体不存在的假象，可以使放置在其内部的物体“隐身”，不被外界探测到。在此基础上，Schurig等对材料的参数进行了简化，实验验证了世界上首个超材料隐身衣，从隐身衣外部无法探测到隐身衣内部物体的信息，实现了完美隐身。近年来，科学家对超材料隐身衣技术做了进一步的改进和优化，以期获得隐身性能更好、频带更宽、超材料结构更轻薄的超材料系统。
超材料隐身斗篷原理示意图
与传统隐身技术相比，超材料隐身的特点是靠导引电磁波，而不是靠吸收电磁波，因此没有目标影子，是国防军工领域的一项颠覆性技术，得到了各国军工界的广泛重视。目前，基于超材料隐身斗篷技术已开始在军事装备中获得应用。
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。
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。
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。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。
电磁介质是无源电子元器件的材料基础和技术核心。传统的无源元件基于常规介质材料，介电常数和磁导率均为大于1的正值，且不会特别高。超材料技术可以实现具有负值、超低或超高介电常数或磁导率的人工电磁介质，为一些具有变革性的新型无源电子元器件的出现提供了条件。天线是超材料应用的较为成功的一类器件。利用超材料超常的电磁性质和高度可设计的特点，人们成功地开发出多种具有高性能、能满足各种特殊要求的天线，实现了天线的小型化、高效、高增益、共型化、高信号选择性等。例如，Ziolkowski等提出了基于超材料的天线空间匹配的概念，可有效地抵消电抗，提高天线的辐射效率，同时通过空间耦合成为天线的寄生辐射元增益，可将天线尺寸大幅缩小，辐射效率大幅提高。利用复合左/右手（CRLH）传输线结构设计出的天线，借助于零阶谐振，天线的尺寸可以任意地小。利用零折射率超材料的出射面趋近平行于法线的方向射入自由空间的特性，可以有效地使电磁波汇聚，提高阵列天线的方向性和增益。目前，在通信等领域的一些天线中已融合了超材料技术。利用平板电容结构，以负介电常数材料作为介质产生类似于电感器的交流响应，有效解决了无源集成模块中电感器复杂的绕线结构占据大量布线空间、导致复杂工艺及对周围元器件产生漏磁干扰的问题。
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。
香港科技大学沈平教授团队在2000年首次提出了声学超材料的概念，并基于局域共振的原理设计实现了晶格常数比波长小两个数量级的声子晶体，表现出传统材料所不具备的等效负弹性常数。随后，科学家们在亥姆霍兹共振器结构、薄膜型结构和盘绕空间结构等其他周期性人工结构中，观察到了更多负声学参数。诸多新奇的物理现象，如操纵非对称声传输、柱面到平面波转换、异常折射或反射、声学自弯曲、非衍射贝塞尔光束、声学聚焦和声学隐形等也陆续被实验观测。作为典型应用，声学超材料被用于实现对声波的隐身效应。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。
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。
机械/声学超材料近年来发展迅速，这类超材料有迫切的工程需求。机械超材料是对各种力学作用做出超常响应的人工材料，按所调控的弹性模量不同可分为超强、超硬超材料，可调节刚度超材料，负压缩性超材料，反胀、拉胀超材料和智能超流体。利用这些超常力学性质，可以开发出很多应用功能，其中一个成功的工程应用领域是减震和降噪。目前常用超材料实现减震降噪的方案很多，其中一个方案是利用电磁波“隐身斗篷”类似的坐标变换原理，将受保护物体利用特殊设计的力学超材料包覆起来，使机械波绕开物体。这一思路也被用于大型建筑及城市的地震防护。此外，利用具有负泊松比（受到拉力时发生侧向膨胀）超材料和负刚度超材料的组合，科学家成功地研制出了能够抑制许多不同频率的振动的新型防震结构，可望应用于运送早产儿的车辆上。
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。
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，Garca-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 。
光学超材料
传统透镜受到衍射极限的约束限制，光学器件无法对尺度小于半个工作光波长的物体成像，其深层物理原因是常规介质中倏逝波的衰减。2000年，Pendry在理论上提出了负折射材料可以用于制作超透镜的想法，并证明了当介质的介电常数为负数时，电磁波中的倏逝波成分会被放大，其中所携带的信息就可以在负折射率介质材料中传播。由负折射材料制备的平板具有成像的功能，物体发的光线会经负折射率平板前后界面两次折射后重新汇聚在一起，进而实现无衍射极限的成像。
超透镜原理示意图
近年来，各种超透镜的设计层出不穷，由于在超材料加工上的困难，对于可见光频段的超透镜在实验方面进展较慢。2015年，Sun等设计并研制出了一种可进行单个分子成像和癌细胞检测的透镜——超材料超透镜，可将光学内视镜的成像分辨率从10 000 nm提高至250 nm或更好。最近，Arbabi等开发了一种新型平面光学透镜系统，该系统可以实现批量生产，并且还能与图像传感器进行集成，可望用于小型化的相机和显微镜中，并扩展其功能和操作方式。
超材料透镜在生物、材料、微电子学、光学工程领域都有急切的要求。可以对病毒和DNA分子、细胞以及各种材料的显微结构等在自然环境中进行直接观察。同时，基于超材料的完美透镜可实现亚波长尺度的光刻，一旦实现将使微电子加工技术水平大幅度提高，从而进一步延续集成电路的摩尔定律。
全光信息技术是信息技术发展的重要方向，是突破电子技术“摩尔定律”物理极限的主要途径。尽管这一技术原理已趋于完善，但在实际应用中面临着一系列器件的实现问题，其中作为逻辑光路的核心部件的全光开关器件是光信息技术的主要难点。常规全光开关借助于光学非线性过程，需要较高（远高于信号）的驱动光功率（非线性阈值），同时材料内部结构的改变和弛豫过程需要相对较长的响应时间（开启和关闭时间）。高阈值功率和低响应速度是全光开关技术走向应用的主要障碍。一种基于超材料中模态耦合的全光开关的设计思想：利用介质超材料中人工原子可承载多个谐振模态的特性，通过两束电磁波导致的电磁谐振模态发生相互耦合，改变通过材料的信号波传播特性，进而实现全光调制。由于这种新机制无需通过非线性光学过程参与，所获得的全光开关器件将具有低开关阈值和极高的开关速度，从根本上解决制约光开关技术的两大核心问题，即开关阈值和开关速度问题，从而突破全光信息技术的瓶颈。
超材料与常规材料的融合
超材料是一种特殊的材料。超材料与常规材料相比，其界面非常清晰，超材料的功能主要来源于人工结构，与源于自然结构的常规材料完全不同。两类材料的优势和劣势完全相反，常规材料源于自然，易于获得，但难于设计和剪裁；超材料则刚好相反，易于设计和剪裁，但不容易获得。鉴于此，通过超材料与常规材料的融合构建新型功能材料的概念，并在此基础上发展出了介质基电磁超材料、本征型超材料介质及若干种基于超材料原理的“常规材料”。
超材料与常规材料的融合能够发展出一些新的材料，为突破常规材料的性能极限开辟了新的道路。常规材料的性能主要取决于材料的自然结构，如原子结构、电子结构、分子结构、化学键结构、晶体结构、晶粒–晶界结构等。随着材料科学和技术的进步，人们对这些结构的操控能力逐渐增强，材料的性能不断提高，越来越趋近于材料的自然极限。同时，自然单元和结构间的相互关联和相互影响，也决定了人们无法随心所欲地对材料性能进行精准操控。超材料结构单元简单，易于被操控，因此可望成为突破常规材料功能极限的一种途径。
超材料与常规材料的融合也是超材料走向工程化应用的一个捷径。狭义的超材料是具有常规材料所不具备性质的人工材料，尽管其性能极具吸引力，但真正形成对应的产业技术尚需要一个发育期。而利用超材料的方法构筑具有优异性能的“人工常规材料”，则可望借助已有的工业技术系统，将超材料迅速推向工程化。
技术难点
从超材料的研发到产生颠覆性技术需克服一系列技术障碍。
（1）超材料的模拟设计技术。目前超材料的研究以原理性探索为主，模拟仿真技术基于简单模型和通用的模拟软件，而实际应用的器件设计需要考虑多种服役因素、多场耦合和海量计算，各种超材料的专用设计技术尚需进一步发展。
（2）超材料的制备技术。超材料制备需要精密的材料加工，特别是一些电磁超材料（如太赫兹以上频率的电磁超材料）的制备依赖于相关加工技术的进步。
（3）大尺寸超材料的工程可行性和服役性能。超材料由大量的人工结构单元构成，这种单元阵列的可工程化及其服役性能（如机械性能、热性能等）是其应用的难点，例如，利用电磁斗篷实现军事目标的完美隐身需要在其外面包覆较厚的超材料“铠甲”，如何将其减薄是一个重要难题。
国内研发情况
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。
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。
发展方向
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。
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。
信息化、智能化
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。
工作频段和方向控制
从工作频段来说，超材料的频段还只能达到红外层次，同时大多数负折射率材料仅能在某些角度上实现负折射现象。对于实现更好隐身功能需要来说，其工作波段最少应覆盖整个可见光波段，同时也需要实现具有各向同性的特性，即从更宽的光波波段和不同方向上实现对光的控制。这将是未来超材料发展的重要课题。
产业化
超材料技术目前还处于实验室到产品中试阶段，如果要进行更大规模的产业化，还需要研究大规模制造大体积超材料的方法。目前实验室仅掌握在平面上的超材料的制造工艺，具有三维空间的立体超材料还未实现。同时表面工艺也仅仅局限在很小的面积上，这距大规模地使用还有很长的距离。如何实现大规模地制造超材料是实现超材料广泛使用的重要前提。
在中国，光启无疑是最知名的超材料公司之一。
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