文 | AI国际站 唐恩
编 | 艾娃
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“声学超材料”可以模仿声音“计算机”的关键组件。
所谓的“声学超材料”是专门设计用来控制和操纵声波的，通常是为了衰减或传输声音。但是，这种声学设备只能执行为其创建的功能，例如抑制潜水艇中的传出声音。如果潜水艇上的情况需要，则该设备不能用于与另一艘过往船只通信。必须使用另一种声学设备，为此专门开发了一种。
根据《研究》杂志的一篇新论文，如今，南加州大学的一个科学家团队已经开发出一种声学超材料，可以通过应用精心定制的磁场在不同用途之间切换 。这些新的超材料的结构受到鲨鱼皮异常结构的启发。它们可用于模仿开关，逻辑门或二极管的功能，从而增加了声音“计算机”的可能性。
从技术上讲，“超材料”是指其微观结构可以使光以通常不会弯曲的方式弯曲的任何材料。该特性称为折射率，即真空中的光速与光波的传播速度之间的比率。
天然材料具有正折射率。某些人造超材料（于2000年在实验室中首次合成）的折射率为负值，这意味着它们与光相互作用的方式是将光弯曲到非常锐利的角度。（这使它们成为隐身应用程序的理想选择，因为任何“隐形隐身衣”都必须能够将电磁波弯曲到应该隐蔽的地方。）声学超材料在概念上几乎相同，除了声波而不是光。
如果从鼻子到尾巴抚摸，鲨鱼的皮肤会感觉光滑。但是，反方向，感觉就像砂纸。这是因为鲨鱼的整个身体都被微小的半透明鳞片所包围，它们的大小约为0.2毫米，它们被称为“牙齿”（因为它们很像牙齿），特别是集中在动物的腹鳍和鳍上。这是他们如何快速游泳的秘诀。举例来说，由于在某些比例尺上具有明显的被动“刺毛”外观，Mako鲨鱼的游泳速度可以达到70至80英里/小时。
去年，我们报道了阿拉巴马大学的工程师艾米·朗（Amy Lang）与南佛罗里达大学的生物学家的工作，以对鲨鱼皮进行成像并绘制比例尺，并特别指出有多少比例尺能够进行这种被动刷毛，以及这些角度如何发生毛刺。他们发现，在侧面和鳍附近，秤更灵活。这对ma鲨游泳时遇到的压力程度有深远影响。
鲨鱼的皮肤细齿可以与身体弯曲超过40度的角度，但只能在逆流方向（即从尾巴到鼻子）弯曲。与高尔夫球上的凹痕类似，这可控制流动分离的程度。如果是鲨鱼，则为水坑或水垢，有助于维持身体周围的附着水流，从而减小尾流的大小。当击打时，凹坑的高尔夫球将比同一球光滑的情况下行进30％。同样的压力阻力减小对于鲨鱼皮光滑且鳞片化也适用。
这种本质上“调节”阻力程度的内在能力引起了USC科学家的注意，他们认为，可以按照相似的线条构建声学超材料，以通过单个声学设备实现多种性能。“使用传统的声学超材料，您可以创建一种结构并实现一种特性。借助这种新型智能材料，我们只需一种结构就可以实现多种性能。”合著者王启明说。
他们将液态硅橡胶（以确保柔韧性）与铁纳米颗粒结合成型为支柱，然后将混合物固化约五个小时，然后将其从模具中取出。阻止或传播声音的秘诀在于结构：在这种情况下，是一排支柱之间的空间。将支柱放在一起，它们将捕获声波，而不是让它们通过。将它们分开放置，声音可以通过材料传播。
铁纳米颗粒使材料响应外部磁场而弯曲。合著者Kyung Hoon Lee说：“我们使用外部磁场弯曲支柱，然后弯曲支柱，以实现这种状态切换。”这使材料可以在阻尼和传输声波之间来回切换。
这具有一些有用的潜在应用。能够获得模仿开关的材料，例如消除噪音的耳机中的开关。支柱可以弯曲以允许外部噪音通过，同时关闭磁场可使支柱返回其直立位置，从而阻止外界噪音。他们还发现，他们的新材料可以模仿二极管，声波只能以一种方式传播。与传统的声学超材料不同，此类新产品可以仅通过调整磁场就可以在声音的单向和双向传输之间切换，例如，对于声波伪装（例如，潜艇的声波“隐形斗篷”）很有用。
更有趣的是，该团队能够模仿简单的决策逻辑门（“与”门运算符和“或”门运算符）来响应不同的条件。例如，根据Wang的说法，一艘想要声学设备触发（或不触发）攻击命令（或逃跑）的潜艇，通常将需要使用标准声学超材料为每个条件创建一个操作员的设备，一旦创建便无法更改。但是，这一新类允许通过调节磁场在需要时在“与”或“或”门运算符之间切换。
到目前为止，USC团队仅在空气中测试了他们的超材料。下一步是使用超声波频率范围内的声波来测试其在水中的性能。的确，激发这种新材料的鲨鱼皮在水中能很好地工作，而在空气中则不然，但是更多的问题是磁场操纵在不同介质中的表现如何。Wang说：“橡胶是疏水的，因此结构不会改变，但是我们需要测试这些材料在外部磁场下是否仍然具有可调性。”
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