近日，bat365在线平台官方网站、水声通信与海洋信息教育部重点实验室张宇教授团队在Cell Press旗舰期刊Matter上发表了题为“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，开发了具有高透声、梯度声折射率和低弹性模量的柔性声超材料（SBMs），并研制了仿生声波束形成器件，实现了声波束的动态调控。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。

近年来，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接近，能向水中传输宽带声信号。此外，海豚前额软组织不同层含有不同成分，从而导致其具有梯度声折射率的分层结构。需特别指出的是，海豚可以通过改变其前额软组织形状，实现声波束的动态调控。受此启发，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

研究要点一：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

研究要点二：SBMs的力学参数表征

SBMs可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

研究要点三：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。该仿生器件还可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

综上，该研究受海豚前额软组织声功能启发，提出将微粒嵌入超弹性体，开发出具有高透声、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。

研究团队

张宇教授领衔的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。该论文第一作者为我校博士生张金虎，通讯作者为张宇教授。该研究获得国家自然科学基金项目(12074323、42106181)、福建省自然科学基金项目(2022J02003)和福建省科技重大专项(2021NZ033016)等的联合资助。

论文来源

Jinhu Zhang, Nana Zhou, Erqian Dong, Chuang Zhang, Zhongchang Song, Sheng Liu, Chen Yang, Xiaochun Su, Shujia Wang, and Yu Zhang*. Soft bio-metamaterials with high acoustic transparency and gradient refractive index for tunable acoustic beamformer, Matter (2024)

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238524003916

供稿：张宇教授团队

编辑：苏颖

审核：汤立国  徐鹏  陈向柳