科学新突破 | 一种神奇“声波放大镜”，让海洋世界更清晰！
你有没有想过，如何更好观探测海洋？比如寻找沉船、探测深海鱼群，甚至观察鲸鱼的活动？最近，厦门大学和香港大学的研究团队合作发明了一种“声波放大镜”——一种新型声波软超透镜，它能让声波穿过像船体或海底管道这样的“障碍物”，让水下探索变得更加神奇！
畸变层作为能量传输的巨大障碍，广泛存在于微波工程、水下声学和医疗超声等领域。然而，利用常规材料引导声波透过无人水下航行器、人类颅骨和水下管道等畸变层来实现宽带声聚焦一直具有挑战。
近日，厦门大学张宇教授与香港大学方绚莱教授在国际Top期刊Nature Communications在线发表了题为“Soft Metalens for Broadband Ultrasonic Focusing through Aberration Layers”的研究论文。董尔谦博士为论文第一作者，张宇教授、方绚莱教授为论文的共同通讯作者。
什么是“声波软超透镜”？
简单来说，这是一种特殊的材料，就像一副眼镜，能让声波穿过像颅骨、船体或海底管道这样的“畸变层”（可以理解为声音的“障碍物”），从而将声音聚焦到一点，犹如放大镜可聚焦光线。
研究人员利用了微纳制造技术，将微小的钨粒和柔软的硅胶结合，设计出了这种“软软的”超透镜。这种材料很特别，不仅能让声波通过，而且能改变它们的方向，从而穿透“障碍物”，聚焦到目标点。
研究团队提出了一种逆向相位编码方法，首次利用声学参数可调的硅胶-微米钨粒超透镜穿透异质畸变层。硅胶-微米钨粒材料的折射率定量测量结果与等效介质理论预测结果高度吻合。
该软超透镜能够在宽频带范围内 (50 kHz 至 0.5 MHz) 引导声波穿透畸变层。在水下畸变层声学测试中，与非聚焦换能器相比，焦点处强度增强了9.3 dB。
图1 穿透畸变层进行超声聚焦的柔性超透镜设计，并应用于脑肿瘤治疗、无人水下航行器的声纳探测和城市管道网络超声检测
图2硅胶-微米钨粒超透镜的声学定量测量，径向折射率可调且声阻抗匹配
图3 软超透镜用于透过水下畸变层的声波聚焦定量实验
图4 软超透镜的工作频段覆盖科学探鱼仪、无人水下航行器和医疗超声等应用
含有微钨颗粒的硅胶是宽带声聚焦和阻抗匹配的理想候选材料。在海洋应用中，软超透镜可帮助消除声波穿透水下航行器导流罩的损耗，也可提升深远海网箱检测中水下声纳成像的空间分辨率。研究人员期待下一步将基于微纳制造技术的柔性声学超材料应用于解决若干实际问题，例如：
更好地保护海洋生物：通过探测鱼群和鲸鱼的活动，可以更科学地保护濒危物种。
更精准的海底探测：无论是寻找沉船，还是勘探海底矿产，都有望用到这项技术。
医疗突破：这种技术还能用于医学，比如帮助医生更准确地进行脑部超声治疗。
【作者简介】
张宇，厦门大学教授。1992-2000年就读于南京大学, 获理学博士学位。2000-2009年期间，先后在美国西北大学和威斯康星大学麦迪逊分校从事科研。2017-2019年在美国麻省理工学院做高级访问学者。2009年加入厦门大学。教育部 “长江学者” 特聘教授，厦门大学海洋与地球学院副院长。
张宇教授研究兴趣集中在生物声学、海洋仿生、仿生探测与通信、海洋人工智能等方面，已在国内外学术刊物发表SCI论文160余篇，主持有关重点项目、国家自然科学基金项目和国家重点研发计划项目课题等，担任中国声学学会理事会、中国海洋学会海洋物理分会理事会、中国海洋学会深海技术分会理事会等理事。
方绚莱 (Nicholas X. Fang)，香港大学教授。1996、1998年本硕毕业于南京大学，2004年在加州大学洛杉矶分校取得博士学位。担任麻省理工学院机械工程系终身教授，2022年起任香港大学机械工程系教授。
方绚莱教授的研究兴趣集中在光学纳米技术和纳米制造、光学仪器、超声材料和仪器、轻质复合材料、组织工程学，获得多个奖项，包括美国机械工程师协会 (ASME) Chao and Trigger青年制造工程师奖(2013)、国际光学委员会ICO奖 (2011)，获得美国国家科学基金奖 (2009) 和MIT技术评论杂志第35届青年创新者奖 (2008)。
【项目资助】
该研究获得国家重点研发计划项目(2024YFD2401402)、国家自然科学基金项目(62231011，2411530074，12074323)、厦门市海洋渔业发展专项资金(20CZB015HJ01)、广东省水利科技创新项目(2020-16)、福建省重大科技专项(2021NZ033016)、香港赛马会信托基金资助的香港大学可扩展和可持续微纳光子制程实验室(GSP181)、以及香港大学生命科学与材料能源研究院(MILES)的联合资助。
原文链接： https://doi.org/10.1038/s41467-024-55022-2
供稿：海洋仿生声学与技术研究团队
编辑：苏 颖
审核：汤立国 徐 鹏
