Bringing medical advances from the lab to the clinic
关键词：微尺度超材料；声波传播；激光超声；Science Advances随着微纳技术的发展，微尺度超材料（metamaterials）因其独特的声学和力学特性而受到广泛关注。特别是在声学和力学领域，超材料能够实现对声波和弹性波的异常操控，包括波的传播、吸收和聚焦等。这些特性使得超材料在许多高科技应用中显示出巨大潜力，例如在医学超声成像、声学屏蔽、振动控制以及能量收集等方面。然而，尽管超材料的静态特性已经被广泛研究，它们在动态响应，尤其是在高频（兆赫兹）范围内的声波传播行为方面的研究仍然相对较少。在高频声波控制方面，实现精确的波传播调控对于提高医学成像的分辨率、减少治疗过程中的副作用以及开发新型声学设备至关重要。此外，随着类脑计算和人工智能技术的发展，对微尺度声学器件的需求也在不断增长，这些器件需要能够在微观尺度上精确操控声波【1】。
2024年11月6日，Carlos M. Portela 等研究学者在国际顶尖期刊 Science Advances 上发表了题为 Tailored ultrasound propagation in microscale metamaterials via inertia design 的研究论文 【2】。研究团队提出了一种基于微球位置调整的惯性设计框架，用于调控3D微尺度超材料的静态和动态响应。实验和数值模拟结果表明，通过简单的几何变化，可以实现高达75%的准静态刚度调节和高达25%的动态纵波速度调节，同时保持材料密度不变。![]()
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🔷 惯性设计框架的提出：
研究者提出了一种基于微球位置调整的惯性设计框架，用于调控三维微尺度超材料的静态和动态响应。通过改变微球的位置，可以实现对超材料准静态刚度和动态波速的调节。
实验和数值模拟结果表明，该设计框架能够实现高达75%的准静态刚度调节和高达25%的动态纵波速度调节，同时保持材料密度不变。例如，在相对密度为12%时，仅通过改变微球的半径，研究者就能实现从12到25%的相对密度范围内的有效刚度调节。利用LIRAS方法，研究者在非接触的条件下对超材料的弹性波速度进行了精确测量。这种方法使用脉冲激光诱导样品表面的热膨胀，从而产生纵向振动，并通过相干光束干涉仪测量样品表面的位移。此外，研究者发现在中心质量设计中，增加微球的质量可以在保持相对密度不变的情况下，实现质量和刚度的部分解耦。例如，中心质量设计的样品在增加微球半径时，其刚度的增加远低于传统结构材料，显示出从0.55到0.87的低刚度增加指数。通过纳米机械压缩实验和激光超声实验，研究者验证了设计框架的有效性，展示了通过调整微球位置来调控超材料的静态压缩行为和动态波传播特性。该设计框架通过简单的几何变化扩展了超材料的准静态和动态属性空间，为超材料的设计和制造提供了新的可能性。例如，通过改变微球的位置，研究者能够在相对密度为36%的情况下实现高达25%的波速变化。研究结果为超材料在医学超声和类脑计算等领域的应用提供了新的设计思路，尤其是在需要精确控制声波传播的场合。这些研究成果不仅展示了微尺度超材料在声波控制方面的潜力，而且为未来超材料的设计和应用提供了重要的理论和实验基础。![]()
图1. 微球设计框架及属性空间扩展
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图2. 支撑-立方框架的有效刚度显示出中心质量设计的质量和刚度解耦
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图3. 支撑-立方实验动态响应
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图4. 中心质量设计动态属性的数值验证
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图5. 悬臂共振器设计的动态属性
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图6. 中心质量设计的应用
本研究提出的微尺度超材料设计框架通过精确调控超声波传播特性，该技术能够为医学超声成像和治疗提供更精细的控制手段，改善图像分辨率，减少治疗过程中的副作用，并可能促进新型超声设备的研制。在科研方面，该研究不仅拓宽了对微尺度超材料动态属性调控的理解，还为声波传播、能量吸收和振动隔离等基础物理现象的研究提供了新的实验和理论工具，推动了超材料在类脑计算、声学通信和微型机器人等领域的创新应用。此外，该研究还展示了通过简单几何变化实现复杂动态响应的能力，为未来超材料的设计和制造提供了新的思路，预示着在微尺度声学和力学领域将有更多的突破和应用。原文链接：
【1】C. M. Portela, B. W. Edwards, D. Veysset, Y. Sun, K. A. Nelson, D. M. Kochmann, J. R. Greer, Supersonic impact resilience of nanoarchitected carbon. Nat. Mater. 20, 1491–1497 (2021).
【2】DOI: 10.1126/sciadv.adq6425
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