先声夺人 | 受鲨鱼皮启发的全新声学智能材料 可随声音传输的...

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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。

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。

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。

由超材料制成的“超薄皮肤隐形斗篷”

（图片来源：伯克利实验室）

一台声音“计算机”

鲨鱼皮很神奇，任何接触过鲨鱼的人都知道，如果你从头到尾抚摸鲨鱼，它的皮肤会感觉很光滑。然而，反过来看，它就像砂纸一样。这是因为鲨鱼全身都有微小的半透明鳞片，大约0.2毫米大小，被称为“齿状体”（因为它们非常像牙齿），尤其是集中在鲨鱼的两侧和鳍上。它就像鲨鱼的一套盔甲，通过减少阻力使动物更有水动力，这是他们游得这么快的原因。

这种本质上“调节”阻力大小的内在能力引起了南加州大学科学家的注意，他们认为声学超材料可以沿着类似的路线构建，用一个声学装置就可以实现多种特性。使用传统的声学超材料，可以创建一种结构，并获得一种特性。有了这种新型智能材料，就可以用一种结构实现多种性能。

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。

他们利用外部磁场弯曲和伸直柱子来实现这种状态转换。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。

超材料柱阵列示意图，红色箭头指示磁场方向

现在，Qiming Wang 和他的团队正在空气中测试他们的材料。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。

超材料的近距离照片

图片来源：Timothy Sleasman

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。较小的结构控制较高的频率波，较大的结构影响较低的频率波。

来源：中科院声学所图书馆微信公众号（ID：ioa-lib）