2024.08.05. 厦门大学研究团队在《Matter》(IF=17.3)上发表研究文章 “Soft bio-metamaterials with high acoustic transparency and gradient refractive index for tunable acoustic beamformer”，介绍了一种具有高声学透明度和梯度折射率的软生物超材料(SBMs)，以及基于该材料的海豚启发式可调声束形成器。
海豚利用前额软组织高效传输和操纵宽带声波，为适应水下环境发展出了卓越的生物声纳系统。传统的声学超材料在实现声学透明度和灵活性方面存在限制，因此需要开发一种新型的声学软材料来解决这些问题。
本研究设计一种具有高声学透明度、梯度折射率和低弹性模量的软生物超材料，用于实现对声波的可调操纵，并开发基于该材料的声束形成器。
材料组成：软生物超材料(SBMs)由分散在超弹性体中的固体微粒或液体微滴组成，如钨、石墨颗粒和甘油微滴等。 制备方法：将固体微粒和液体微滴与未固化的液态硅橡胶混合，通过真空脱气、浇注和固化等步骤制备SBMs。
宽带梯度声学折射率测试：测量不同组成的SBMs在不同频率下的声学折射率，评估其在宽频带范围内的性能。 声学透明度测试：测量SBMs的声学传输系数和透射损失，评估其在水下环境中的能量传输效率。 低机械刚度测试：测试SBMs的拉伸应力-应变曲线，评估其在拉伸变形下的力学性能。 海豚启发式可调声束形成器测试：构建基于SBMs的声束形成器，通过机械拉伸实现对声束图案的可调调制，并进行实验验证。
SBMs的设计灵感源自海豚前额的软组织
SBMs的机械特性
SBMs中声梯度折射率、声透明度和机械刚度的设计图
声学折射率：SBMs的声学折射率随组成颗粒的体积分数变化而呈现非线性变化，具有宽调制范围，满足大多数声学功能器件的折射率要求。 声学透明度：SBMs在水下具有高声学透明度，声学传输系数接近1，且在宽频带范围内具有良好的非色散特性。 声阻抗匹配：SBMs的声阻抗与水的声阻抗匹配良好，减少了界面反射损失，有利于高能传输。
低弹性模量：SBMs的弹性模量低，与生物组织的机械性能相似，具有良好的柔韧性和可变形性。
拉伸性能：SBMs可以承受较大的拉伸变形，拉伸应变超过600%，且具有较小的滞后和内部摩擦。
通过机械拉伸动态调制SBMs-ABF声束方向图
海豚启发式可调声束形成器
工作原理：基于SBMs的声束形成器通过沿一个方向改变材料的声学折射率，实现了对水下宽带声波的定向转换和波束图案的可调调制。
实验验证：
声束定向性：实验结果表明，该声束形成器能够有效地将全向声波转换为定向声束，声压沿主瓣方向显著增加，能量增益不少于8.40dB。
波束图案可调性：通过机械拉伸声束形成器，可以实现从单一波束到多个波束的转换，扩展了声学检测的视野。
水下声学应用：SBMs有望在水下监测、声纳探测等领域得到广泛应用，提高水下目标的检测范围和精度。
生物医学超声应用：基于SBMs的声束形成器可用于生物医学超声成像和治疗，如肿瘤热疗等。
研究展望：通过整合磁、光或热活性粒子等智能材料，有望进一步增强SBMs的功能，实现更多的应用。
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