拜海豚為“師”啦！學(xué)習(xí)聲波“秘籍”，水下“游刃有余”~

作者：李傳福

在海洋深處，海豚以其獨(dú)特的聲納系統(tǒng)——回聲定位，展現(xiàn)出了驚人的導(dǎo)航和探測(cè)能力。它們通過發(fā)出高頻聲波并接收反射回來的回聲，來探測(cè)和分析周圍環(huán)境，無論是在黑暗還是渾濁的海水中，都能準(zhǔn)確定位獵物，識(shí)別障礙物，甚至與同伴進(jìn)行交流。這種聲納系統(tǒng)，依賴于海豚前額的脂肪墊來聚焦和導(dǎo)向聲波，以及下顎的脂肪墊來接收聲波并傳導(dǎo)至內(nèi)耳處理。海豚的這種能力，不僅是自然界中的奇跡，也激發(fā)了人類科學(xué)家的靈感。

受到海豚聲納系統(tǒng)的啟發(fā)，廈門大學(xué)的張宇教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種新型聲學(xué)軟生物超材料。這種材料具有高聲學(xué)透明度和梯度折射率，是水下監(jiān)測(cè)和醫(yī)療超聲應(yīng)用的理想材料。與傳統(tǒng)的剛性超材料不同，這種聲學(xué)軟生物超材料由嵌入硅酮基質(zhì)中的微米級(jí)固體顆?；蛞旱谓M成，這種設(shè)計(jì)不僅賦予了材料柔軟性，還使其能夠有效地傳輸和操縱聲波。

示意圖 受到海豚聲納系統(tǒng)的啟發(fā)開發(fā)的新型聲學(xué)軟生物超材料 圖片來源：廈門大學(xué)

聲學(xué)軟生物超材料的聲折射率隨著夾雜物含量的增加呈現(xiàn)出非線性變化，這為設(shè)計(jì)具有梯度聲學(xué)特性的功能器件提供了可能。在零點(diǎn)五到二兆赫的頻率范圍內(nèi)，這種材料表現(xiàn)出無色散的特性，理論上甚至能在高達(dá)二十兆赫的頻率下穩(wěn)定工作。這種材料在水下具有很高的聲學(xué)透明度，聲傳輸系數(shù)接近百分之一百，這得益于其與水的聲阻抗差異極小，從而減少了界面反射損耗。

這種聲學(xué)軟生物超材料在拉伸載荷下能夠承受顯著變形而不會(huì)變得過度僵硬，這使得它在需要靈活性和可變形性的應(yīng)用中具有極大的實(shí)用性。無論是固體顆粒還是液體微滴，都能在保持材料低剛度的同時(shí)，調(diào)整其聲學(xué)和機(jī)械性能。

基于這種聲學(xué)軟生物超材料的聲波波束形成器能夠通過機(jī)械拉伸動(dòng)態(tài)地改變聲波波束模式，從而實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)的有效控制。這種可調(diào)諧超材料為聲學(xué)操縱應(yīng)用帶來新的機(jī)遇，通過引入微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟物質(zhì)的超聲性能，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直、聚焦和渦流形成，增強(qiáng)探測(cè)、成像和通信。

隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，這種聲學(xué)軟生物超材料將集成更多智能功能，如磁力、光學(xué)或熱活性粒子，實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜和精細(xì)的聲場(chǎng)控制。這不僅將推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，更將為人類探索未知世界提供更加強(qiáng)大的工具。這種新型材料在聲學(xué)監(jiān)測(cè)、成像和通信方面展現(xiàn)出巨大的潛力，預(yù)示著未來在海洋聲學(xué)和生物醫(yī)學(xué)超聲領(lǐng)域?qū)⒂瓉砀嗟耐黄坪蛣?chuàng)新。