作者：李傳福

在海洋深處，海豚以其獨特的聲納系統(tǒng)——回聲定位，展現(xiàn)出了驚人的導航和探測能力。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，都能準確定位獵物，識別障礙物，甚至與同伴進行交流。這種聲納系統(tǒng)，依賴于海豚前額的脂肪墊來聚焦和導向聲波，以及下顎的脂肪墊來接收聲波并傳導至內(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)了人類科學家的靈感。

受到海豚聲納系統(tǒng)的啟發(fā)，廈門大學的張宇教授團隊研發(fā)出了一種新型聲學軟生物超材料。這種材料具有高聲學透明度和梯度折射率，是水下監(jiān)測和醫(yī)療超聲應用的理想材料。與傳統(tǒng)的剛性超材料不同，這種聲學軟生物超材料由嵌入硅酮基質(zhì)中的微米級固體顆?；蛞旱谓M成，這種設計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)的新型聲學軟生物超材料 圖片來源：廈門大學

聲學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，這為設計具有梯度聲學特性的功能器件提供了可能。在零點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。

這種聲學軟生物超材料在拉伸載荷下能夠承受顯著變形而不會變得過度僵硬，這使得它在需要靈活性和可變形性的應用中具有極大的實用性。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，調(diào)整其聲學和機械性能。

基于這種聲學軟生物超材料的聲波波束形成器能夠通過機械拉伸動態(tài)地改變聲波波束模式，從而實現(xiàn)聲場的有效控制。這種可調(diào)諧超材料為聲學操縱應用帶來新的機遇，通過引入微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟物質(zhì)的超聲性能，實現(xiàn)準直、聚焦和渦流形成，增強探測、成像和通信。

隨著材料科學的不斷進步，這種聲學軟生物超材料將集成更多智能功能，如磁力、光學或熱活性粒子，實現(xiàn)更為復雜和精細的聲場控制。這不僅將推動科學技術的發(fā)展，更將為人類探索未知世界提供更加強大的工具。這種新型材料在聲學監(jiān)測、成像和通信方面展現(xiàn)出巨大的潛力，預示著未來在海洋聲學和生物醫(yī)學超聲領域?qū)⒂瓉砀嗟耐黄坪蛣?chuàng)新。