麻省理工学院利用先进超材料实现超声波控制

一项新的研究提出了在微观声学超材料中控制超声波传播的设计框架。 研究人员重点研究了一种带有"支撑立方体"设计的支撑立方体晶格。 图片来源：研究人员提供

声学超材料是一种专门设计的材料，其结构经过精心设计，可以控制声波或弹性波在其中的运动方式。 虽然研究人员已经通过计算机模型和理论研究对这些材料进行了探索，但迄今为止，创建物理版本还仅限于大型结构和低频应用。

"超材料的多功能性--既轻便又坚固，同时还具有可调的声学特性--使其成为极端条件下工程应用的最佳候选材料，"罗伯特-诺伊斯职业发展讲座教授兼麻省理工学院机械工程助理教授卡洛斯-波特拉解释说。"但高频声学超材料的微型化和表征方面的挑战阻碍了实现具有超声波控制能力的先进材料的进程。"

波特拉与麻省理工学院机械工程系的雷切尔-孙（Rachel Sun）、杰特-莱姆（Jet Lem）和凯云（Yun Kai），以及美国能源部堪萨斯城国家安全园区的华盛顿-德利马（Washington DeLima）最近共同开发了一种新的设计框架，用于控制微观声学超材料中的超声波。 他们的研究成果发表在Science Advances期刊上，论文题为"通过惯性设计在微尺度超材料中定制超声波传播"（Tailored Ultrasound Propagation in Microscale Metamaterials via Inertia Design）。

波特拉说："我们的工作提出了一个基于精确定位微尺度球体的设计框架，以调整超声波如何穿过三维微尺度超材料。具体来说，我们研究了在超材料晶格中放置微观球体如何影响超声波在整个晶格中的传播速度，最终导致导波或聚焦响应。"

麻省理工学院机械工程助理教授 Carlos Portela（右）和 Rachel Sun 在 Portela 的实验室。 图片来源：Tony Pulsone/MIT MechE

通过非破坏性的高通量激光超声表征，研究小组在实验中展示了微米级材料中可调谐的弹性波速。 他们利用不同的波速对微米级材料中的波传播进行空间和时间上的调整，同时还展示了一种声学解复用器（一种将一个声学信号分离成多个输出信号的装置）。 这项工作为微米级设备和元件铺平了道路，这些设备和元件可用于超声波成像或通过超声波传输信息。

波特拉说："利用简单的几何变化，这一设计框架扩展了超材料的可调动态特性空间，从而能够直接设计和制造微尺度声学超材料和器件。"

这项研究还提高了微尺度声学超材料的实验能力，包括制造和表征，使其能够应用于医学超声和机械计算领域，并强调了超材料中超声波传播的基本力学原理，通过简单的几何变化调整动态特性，并将这些变化描述为质量和刚度变化的函数。 更重要的是，该框架适用于微观尺度之外的其他制造技术，只需一种组成材料和一个基本的三维几何形状，就能获得基本可调的特性。

"这一框架的美妙之处在于，它从根本上将物理材料特性与几何特征联系起来。 通过将球形质量放置在类似弹簧的晶格支架上，我们可以直接类比出质量如何影响准静态刚度和动态波速，"该研究的第一作者Sun说。"我意识到，无论我们是振动还是缓慢压缩材料，我们都可以获得数百种不同的设计和相应的材料特性"。

编译自/ScitechDaily