Dong, E., Zhang, T., Zhang, J. et al. Soft Metalens for Broadband Ultrasonic Focusing through Aberration Layers. Nat Commun 16, 308 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-024-55022-2
（香港大学机械工程系）
（厦门大学海洋与地球科学学院水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室）
像差层 (AL) 通常在微波工程、电磁波和医学超声中存在显着的能量传输障碍。然而，使用金属和弹性体等传统材料通过像差层（如人类头骨）实现宽带超声波聚焦已被证明具有挑战性。近年来，声学超材料在负模量、折射、全息图等设备上取得进展，但受限于频带和散射元件特性。软性材料虽广泛应用，其超材料周期性结构发展有限。软性多孔有机硅弹性体材料可调孔隙率以控制折射率和声速，但超声频率内建立折射率仍具挑战。现有研究提出可调谐元凝胶和仿生阻抗变压器以突破窄带限制，但元凝胶难以解决波失真问题。在医学超声领域，实现波的最大传输和最小反射至关重要，而阻抗匹配技术在超声成像中面临挑战。目前仅有少数研究探索通过像差层实现声相位调制。因此，精确控制超声波在软物质中的传导和相位调制对医学诊断和治疗至关重要。
在研究中，引入了一种反相编码方法，采用可调谐软超透镜来穿透异质像差层。通过应用有效介质理论，我们确定了有机硅弹性体中微米钨颗粒的折射率，与实验结果紧密一致。软超透镜允许通过模仿像差层的 3D 打印人类头骨模型在宽带频率（50 kHz 至 0.4 MHz）上进行传输。在离体经颅超声测试中，与使用未聚焦传感器获得的结果相比，观察到焦点处的强度增强了 9.3 dB。通过集成软材料、超材料和梯度折射率，软超透镜为在深部脑刺激、无损评估和高分辨率超声成像领域推进下一代软设备提供了机会。
A脑肿瘤治疗中的医学超声，B AUV 中的水下声纳测距，C城市管道检查。通过非均匀层状介质中的通用全波方程建立适用于所有应用的广义SML，导出SML的相位累积，并确保超声波穿透AL。
设计的SML通过用硅酮弹性体基质分散钨微粒应用于人脑模型，并分别在 100 μm 和 300 μm 尺度下进行 SEM 成像。B测试的和理论的声学折射率与重量百分比。( B )中的照片表示 SEM 的样品制备。C离散层分布示意图以及沿径向方向制作的具有七个离散层的 SML。右上区域的图像是权重百分比为67.8%下的混合SML。D基于互易原理，通过声全息图测量 SML 与全息相位的声速和密度分布。
人类头骨模型的 CT插图，带有超声处理路径（蓝色虚线），超声信号为 120 kHz 和 0.5 MHz 的脉冲正弦波，具有五个周期，触发间隔为 165 ms。B – D通过计算机断层扫描成像对人类头骨进行三个扫描剖面，分别包括冠状剖面、轴向剖面和矢状剖面。E – G频率为 120 kHz 和 0.5 MHz 的五周期脉冲源的瞬态传播图 ( H – J )。粗体“I”、“R”、“T”分别代表入射波、反射波和透射波，其中E、F和G对应于\(80\mu s\)处的传播时间，分别为\(100\mu s\)和\(120\mu s\)。Pr 和 Dis 分别表示归一化声压和归一化位移
超声波通过人类头骨模型聚焦的实验照片。B 3D打印的人类头骨模型，分别包括顶骨、枕骨、颞骨、中脑膜沟、额窦和蝶骨。C实验性宽带经颅超声通过人体颅骨模型聚焦，频率范围为 50 kHz 至 0.4 MHz，无 SML。D使用 SML 通过人体颅骨模型进行实验性宽带经颅超声聚焦，频率范围为 50 kHz 至 0.4 MHz。E 50 kHz 至 0.4 MHz 范围内的实验统计声压级增益。F线图比较了通过人类头骨模型沿\(r\)横向方向的相对压力水平频率为 120 kHz 和 0.4 MHz（带或不带 SML）。
超声聚焦穿过真实人类头骨的轴向横截面实验照片，其中A – E是顶骨上的不同测量点。B真实人体颅骨模型，分别包括枕骨、左顶骨、矢状结构、右顶骨、额骨和冠状结构。曲线表明信号在不使用 ( C ) 和使用 ( D ) SML 的情况下穿过人类头骨从换能器传输到源频率为 120 kHz 的水听器。\ (t=0\)对应于从信号发生器发送超声参考信号的时间。五个不同点A – E表示没有和有 SML 的人类头骨的空间差异。实验宽带离体经颅超声聚焦通过真实的人类头骨，频率从 50 kHz 到 0.4 MHz，不使用 ( E ) 和使用 ( F ) SML
本文展示了SML的可调谐特性及其在异构像差层宽带聚焦中的应用。理论、材料和声学性能分析证实，微钨硅弹性体复合材料系统符合有效介质理论模型。仿真和实验结果表明，SML在50 kHz~0.5 MHz频率范围内显著提高了超声换能器的传输效率（14.19 dB）和空间分辨率（近十倍）。离体经颅超声聚焦应用显示了9.3 dB的能量增强，显示出治疗和诊断潜力。SML结合了软材料、超材料和梯度折射率理论的特点，使其具有柔软性、可编程性和可调性。含有微钨的有机硅弹性体是宽带聚焦和阻抗匹配的完美候选者。此外，通过快速制造基于 SML 的大型高强度聚焦超声 HIFU 设备，可以操纵超声来精确调节神经和肿瘤靶向消融。总体而言，SML作为一种先进的软材料-超材料-梯度折射率制造方案可能为医学超声应用打开一扇新的大门
