厦大张宇团队Matter：高透声、梯度声折射率的仿生柔性超材料助力可调谐声波束形成器件 | Cell Press对话科学家
物质科学
Physical science
2024年8月5日，厦门大学张宇教授等在Cell Press细胞出版社旗舰期刊Matter上发表了题目为“Soft Bio-metamaterials with High Acoustic Transparency and Gradient Refractive Index for Tunable Acoustic Beamformer”的研究论文。该研究受海豚前额软组织的声功能启发，提出将微粒嵌入于超弹性体中，开发具有高透声、梯度声折射率和低弹性模量的柔性声超材料，并研制仿生声波束形成器件以实现声波束的动态调控。论文第一作者为厦门大学博士生张金虎，通讯单位为厦门大学水声通信与海洋信息教育部重点实验室。该研究团队海洋仿生声学与技术实验室长期致力于生物声学机理、声功能材料、仿生技术与应用等研究。
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研究亮点
基于海豚前额软组织声功能的仿生柔性声超材料设计；
柔性声超材料采用微粒嵌入于超弹性体中，具有高透声、梯度声折射率、低弹性模量特性；
柔性声超材料研制仿生声波束形成器件，能够通过拉伸动态调控声波束。
研究简介
声波在水下具有低传播损失特性，是探索海洋的重要能量形式，需要在声功能材料的传感和控制技术上快速发展。声学超材料能够有效控制声波，包括负折射、隐形、波束形成等。近年，柔性材料因其顺应性和机械特性在多种应用中备受关注。将柔性材料引入声学超材料领域，可避免固体结构的大变形难和阻抗失配问题。然而，设计高透声、梯度声折射率、可调声波束的柔性水下声超材料器件仍具挑战性。
海豚经过长期自然选择，进化出具有卓越声功能的生物声纳系统。海豚前额软组织与水的声阻抗差异小，能向水中传输宽带声信号。此外，海豚前额软组织具有梯度声折射率的分层结构，这是由组织内含有不同成分且其含量不同所导致。特别是，海豚还可以通过变形其前额软组织，实现声波束的动态调控。
研究团队提出将固体微粒或液体微滴嵌入超弹性体中，开发具有高透声、梯度声折射率、低弹性模量特性的柔性声超材料（SBMs）。基于此，研制出水下仿生声波束形成器件，能够将无指向性声波束转换为高指向性声波束，且可通过机械拉伸实现声波束的动态调控。
图1 受海豚前额软组织启发的软超材料（SBMs）设计。
要点一：SBMs的声学参数表征。
对于不同掺杂物质，声折射率随掺杂物质量分数的变化趋势不同。声折射率实验测量结果与多重散射理论预测值一致。在宽频带范围内，声折射率保持不变。SBMs的声阻抗与水接近，可实现声透明。
图2 SBMs的声学性质。
要点二：SBMs的力学参数表征。
SBMs实现低弹性模量和大应变，其弹性模量实验测量结果与Eshelby理论预测值一致。
图3 SBMs的力学性质。
要点三：基于SBMs的仿生声波束形成器件。
该仿生器件能够有效地将无指向性声波转化为指向性声束，且主瓣的声能增益提高8.4dB。该仿生器件还通过施加机械应力产生变形，从而产生波束分裂，扩大声学探测视野。
图4 基于SBMs的仿生声波束调控器件。
图5 通过拉伸仿生波束调控器件实现波束动态调控。
主要结论
这项研究受海豚前额软组织的声功能启发，提出将微粒嵌入于超弹性体中，开发具有高透声、梯度声折射率和低弹性模量的柔性声超材料（SBMs）。基于SBMs研制的仿生声波束形成器件（SBMs-ABF）可将无指向性声波束转换为高指向性，且可通过机械拉伸实现声波束分裂等动态调控。SBMs为柔性声功能材料提供了一种新的仿生设计思路，在水下检测和生物医学超声方面具有潜在的应用前景。
作者专访
Cell Press细胞出版社公众号特别邀请张宇教授进行了专访，为大家进一步详细解读。
CellPress：
请简要概述本工作的亮点。
张宇教授：
这项工作的亮点体现在三方面。第一，我们的设计灵感来自海豚生物声呐，相信这一设计在柔性材料、波物理、生物仿生和超声设备等领域会引起研究人员的广泛兴趣。第二，仿生柔性声超材料实现高透声、梯度声折射率和低弹性模量。我们之前的研究是在水凝胶中嵌入分布式的金属圆柱阵列来构造仿生超材料 [Sci. Adv. 2020, 6, eabb3641; Natl. Sci. Rev. 2019, 6, 921-928]，然而，固体超材料的声散射损失和大形变难是难以避免。第三，基于仿生柔性声超材料的可调声波束分裂器件在水下动态调控探测、定向声学通信以及在生物医学超声等方面具有巨大潜力。
CellPress：
研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？
张宇教授：
如何构造一种高透声、低弹性模量的声折射率梯度材料是本研究难点之一。基于前期对海豚软组织声学特性研究，我们构建仿生柔性声超材料，将固体微粒或液体微滴嵌入于超弹性体来调控声折射率。此外，无指向性声源的声波束指向性控制是另一难点。海豚可以压缩额隆软组织来调控指向性声波束。我们受到启发，在仿生柔性声超材料上施加应力来产生可控形变，从而调整指向性声波束。可见，这项工作涉及柔性材料、声学超材料、生物声学和仿生学等领域，跨学科的知识整合与新概念设计是我们初期面临的主要困难，也为相关研究提供创新思路。
CellPress：
团队下一步的研究计划是怎样的？
张宇教授：
我们团队长期致力于生物声学与仿生研究。这项工作表明仿生柔性材料能够在良好声学和力学方面提供理想的组合性能。我们下一步研究计划是将面向具体应用场景，深度融合柔性材料微/纳米加工和超材料设计的优势，例如可以通过数字编程赋予柔性声功能调控、驱动或响应。这种先进材料科学和海洋仿生学的结合有望为海洋声层析成像、海洋观测网、水声探测与通信等方面的智慧海洋技术提供新材料助力。
CellPress：
今年是Matter创刊五周年，您对于Matter未来的发展有何期望和寄语。
张宇教授：
祝贺Matter创刊五周年！在这五年里，Matter已经成为了一个重要的平台，汇聚了全球材料科学领域的顶尖研究和创新。海洋覆盖了近四分之三的地球表面，而海洋90%以上是未知的。我们非常高兴能够在Matter上发表海洋仿生声功能材料方面的工作，这将极大促进海洋仿生领域的基础研究和实际应用。我们期待Matter持续关注新材料在智慧海洋领域的前沿创新，为全球海洋科技与工程提供创新原理与前沿技术。
作者介绍
张宇
教授
张宇，厦门大学海洋与地球学院教授，博士生导师，教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，现任厦门大学水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室主任。主要从事海洋生物声呐机理、仿生水声探测与通信技术、海洋人工智能等领域研究。在Sci. Adv.、Natl. Sci. Rev.、Cell Rep. Phys. Sci.、Phys. Rev. Appl.、J. Acoust. Soc. Am.、Appl. Phys. Lett.等国际期刊发表SCI论文150余篇，获专利授权40余项。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
▌论文标题：
Soft Bio-metamaterials with High Acoustic Transparency and Gradient Refractive Index for Tunable Acoustic Beamformer
▌论文网址：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2590238524003916
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.06.048
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