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受鲨鱼皮启发，全新声学智能材料诞生！可随声音传输的需要而变化

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Emma Chou • 2020-03-11 14:33:32　来源：前瞻网　E3811G0

图片来源：视频截图

从我们用来听最喜欢歌曲或播客的耳机，到潜艇使用声波伪装，我们如何传递和体验声音是我们与周围世界互动的一个重要部分。声学超材料就是用来控制、引导和操纵声波通过不同介质的材料，因此，它们可以被设计并插入到一个结构中来减弱或传播声音。

问题是，传统的声学超材料具有复杂的几何形状，它们通常由金属或硬塑料制成，一旦被制造出来，就无法更改。例如，一种声学装置可以减弱潜艇发出的声音，从而达到隐身的效果。但如果情况有变，例如潜艇想要与经过的伙伴通信，相同的声学设备将不允许声音从外部传播。

一个南加州大学的研究小组，由桑尼•阿斯塔尼土木与环境工程系助理教授Qiming Wang领导，创造出一种新的智能材料，可以根据声音传输的需要而随之变化。Qiming Wang说：“采用传统的声学超材料，你可以创建一个结构，实现某一个特性。而有了这种新的智能材料，我们可以用一个结构实现多种性能。”在研究这种新材料时，Qiming Wang和他的团队发现，他们所研发的智能材料能够重新创造电子设备固有的特性，比如开关，从而显示出智能声音传播的前景——一台声音“计算机”。

Qiming Wang带领的团队包括南加州大学的博士申请人Kyung Hoon Lee、Kunhao Yu、 An Xin和Zhangzhengrong Feng，以及博士后学者Hasan Al Ba'ba'a，于最近发表在《研究》杂志上了论文《受鲨鱼皮启发研发出经磁激活可重构的声学超材料》，当中详细介绍了他们的研究结果。受鲨鱼皮肤表面的真皮齿状装饰所具有的双重特性的启发，研究小组发明了一种新的声学超材料，这种材料含有磁性敏感的纳米颗粒，在磁力刺激下可以弯曲。这种磁力可以根据需要远程改变结构，适应声音不同的传播条件。

在一个设备中调制多个声学特性

研究人员制造的声学超材料是由橡胶和纳米铁颗粒混合制成的。橡胶提供了灵活性，允许材料可逆地反复弯曲，而铁使材料对磁场作出反应。

为了使这些结构对声音输入做出响应，Qiming Wang和他的团队必须将这些材料组合起来，使它们之间的共振——米氏共振——允许声音传播的变化，要么阻止声音输入，要么传导声音输入。如果两根柱子靠得更近，声波就会被有效地截留，从而无法传播到建筑物的另一边。相反，如果两根柱子相距较远，声波就很容易通过。

“我们利用外部磁场弯曲和伸直柱子来实现这种状态转换。”论文主要作者Kyung Hoon Lee说。其结果是从一个阻碍声波传播的位置转变为一个有效传导声波的位置。与传统的声学超材料不同，不需要直接接触或压力来改变材料的结构。

一台声音“计算机”

Qiming Wang和团队演示了他们的智能材料如何模拟三个关键的电子设备：一个开关、一个逻辑门和一个二极管。磁敏材料与磁场的相互作用以一种类似于电路的方式来操纵声波的传播。

为了更好地理解这一点，让我们看看这三种电子设备是如何工作的。

一个开关允许一个通道被打开和关闭，例如，在噪声消除耳机中。在本例中，使用智能声学超材料构建的结构，你可以调整磁场，使米氏谐振器柱体弯曲并允许外部噪声通过。Qiming Wang说，在另一种情况下，你可以关掉磁场，柱子就会保持垂直，阻止外部噪音通过。

逻辑门也建立在这个想法上，通过触发基于输入到不同输入通道的刺激的决策。以潜艇为例，或许你想让声学设备调节多种情况，而不是单一情况：当它接收到一个弱信号和一个强信号时攻击，但当它接收到两个强信号时逃跑。为了允许多个场景成为决策的一部分，你通常需要多个设备，每个设备都针对不同的场景进行了架构设计。与（AND）门运算符描述了一种仅在输入通道都是强的情况下才触发特定响应的声学设备。或（OR）门运算符描述了一种声学装置，当两个信号中的任何一个强时，它将触发某种决定。

使用传统的声学超材料，你只能创建一个运算符，因此只能响应一个条件。通过研究人员开发的新型智能声学超材料，Qiming Wang说，你可以根据需要从与门转换到或门操作符。以潜艇为例，这意味着利用磁场，你可以改变触发攻击指令的条件，而无需再造一个新的声学设备。

最后，还有一个二极管。二极管是一种声学强度在一个方向上高而在另一个方向上低的装置，因此它提供了声波的单向传输。传统的声学超材料可以让你做到这一点，但同样，你不能改变状态。使用这种新型的智能声学超材料，你可以从二极管状态转换成导体状态，从而实现双向传输，而不是单向传输。这在潜艇声伪装的例子中很有用，有时你会希望声学设备只允许声音在一个方向上传播，有时你希望它在两个方向上都可以传播。

Qiming Wang说:“传统的声学超材料从来没有实现过这样的改变。”

现在，Qiming Wang和他的团队正在空中测试他们的材料。下一步，他们希望在水下测试相同的特性，看看能否在超声波范围内达到相同的特性。

“橡胶是疏水性的，所以结构不会改变，但我们需要测试材料在外部磁场下是否仍然具有可调性。” Qiming Wang说，并指出水将有更大的阻力，从而增加更多的摩擦情况。

3D打印超材料

研究人员一直在通过精心设计能够控制声波或光波的特殊结构来提高材料的性能。然而，这些超材料是用固定的几何图形构造的，这意味着它们独特的能力总是固定的。除了上文提到的受鲨鱼皮启发，创造出含磁性纳米颗粒的智能声学材料，此前，同样是Qiming Wang领导的一个团队开发了新型3D打印超材料，可以在主动控制和被动状态之间进行远程切换。

南加州大学维特比工程学院的Qiming Wang和博士生Kun-Hao Yu，以及麻省理工学院的Nicholas Fang教授和密苏里大学Guoliang Huang教授，开发出了能够阻挡声波和机械振动的3D打印超材料。与当前的超材料不同，这些材料可以通过磁场遥控开关。他们的材料可以用来消除噪音，控制振动和声音伪装，可以用来隐藏物体免受声波的伤害。

“当你制作一个结构时，几何形状不能改变，这意味着属性是固定的。我们的想法是，我们可以设计一些非常灵活的东西，这样你就可以通过外部控制来改变它。”

超材料可以用来操纵诸如雷达、声音和光之类的波现象，还可以用来开发诸如隐身装置以及改进通信系统等技术。该团队的超材料能够控制环境声音和结构振动，它们具有类似的波形。通过3D打印一种晶格结构中含有铁粒子的可变形材料，可以利用磁场对其进行压缩。

“你可以施加一个外部磁力来变形结构，改变结构和内部的几何形状。一旦你改变了建筑，你就改变了房子，”王说。“我们想要实现这种状态之间的自由切换。利用磁场，开关是可逆的，而且速度很快。”

磁场压缩材料，但不像金属板那样的物理接触力，材料不受约束。因此，当声波或机械波接触材料时，它会使材料产生扰动，从而产生独特的特性，阻止声波和特定频率的机械振动通过。

其机理依赖于材料的异常性质-负模量和负密度。在日常材料中，这两个都是正的。

“具有负模量或负密度的材料可以通过局部共振在结构中捕捉声音或振动，这样它们就不能通过结构传递。” Kun-Hao Yu说。

通常，当你推一个物体时，它会反推你。相反，具有负模量的物体会吸引你，当你推动它们时，它们会把你拉向它们。呈现负密度的物体也以同样矛盾的方式运作。当你把这些物体推离你时，它们反而向你移动。

一个负特性，无论是负模量还是负密度，都可以在一定的频率范围内独立地工作来屏蔽噪声和停止振动。然而，当一起工作时，噪音或振动可以再次通过。该团队能够保持对超材料的多用途控制，在双正极(声音传递)、单负极(声音阻塞)和双负极(声音传递)之间切换，只需切换磁场即可。

Qiming Wang说:“这是研究人员首次用远程刺激证明了这三个阶段之间的可逆切换。”

Qiming Wang认为，他们或许能够证明另一种独特的性质，即负折射，波穿过材料后以非自然的角度返回，根据Qiming Wang的说法，这是“反物理”的。他们计划进一步研究这一现象，一旦他们能够制造更强大的结构。

“我们想缩小或扩大我们的制造系统。” Qiming Wang说，“这将给我们更多的机会来研究更大范围的波长。”

根据他们之前的系统，只能打印出直径在一微米到一毫米之间的3D材料。但尺寸很重要。较小的光束控制较高的频率波，较大的光束影响较低的频率波。