高透声、梯度声折射率的仿生柔性超材料！

        海豚是海洋中最聪明和复杂的生物之一，它们的声纳系统是自然界中最先进的声学工具之一。这种声纳系统，称为回声定位，允许海豚通过发射高频声波并接收反射回来的回声来探测和分析周围环境。这个系统使海豚能够在黑暗或浑浊的水中精确定位猎物，识别障碍物，并与同伴交流。海豚的回声定位依赖于其前额的脂肪垫（瓜）来聚焦和导向声波，下颚的脂肪垫用于接收声波并传导到内耳进行处理。通过这种复杂的声学系统，海豚能够在茫茫大海中保持敏锐的感知力和高效的行动能力。

        受海豚前额软组织的启发，厦门大学张宇教授课题组推出了一类新型声学软生物超材料（SBM）。这些材料具有高声学透明度和梯度折射率，是水下监测和医疗超声应用的理想材料。与传统的刚性超材料不同，SBM 由嵌入硅酮基质中的微米级固体颗粒或液滴组成。这种独特的设计使它们能够有效地传输和操纵声波，同时保持生物组织的柔软性。作者还开发了一种受海豚启发的声波波束成形器，能够通过拉伸动态改变声波波束模式。这项创新有望在声学监测、成像和通信方面取得重大进展，为量身定制声场控制提供一个多功能平台。相关成果以“Soft bio-metamaterials with high acoustic transparency and gradient refractive index for tunable acoustic beamformer”为题发表在《Matter》上，第一作者为Jinhu Zhang。

        SBM设计作者受海豚前额结构的启发，提出了一种创建具有受控微观结构的软生物物质系统的新方法（图1A）。该方法通过将固体微粒或液体微滴结合到超弹性材料中，模拟海豚前额中不同组织的特性（图1C和1D）。这种软生物超材料（SBM）在水环境中几乎是透明的，声传输系数接近100%，并且具有宽范围的声梯度折射率（>1.25）。SBM保留了超弹性材料的低模量和高延展性的机械性能，超越了常见材料（水凝胶、元凝胶、多孔硅橡胶等）（图1E、1F）。通过计算机断层扫描 (CT) 和组织实验，确定了短喙海豚 (Delphinus delphis) 头部的声学折射率和阻抗分布，前额组织表现出声折射率梯度（0.8至1.2）和声阻抗，有效形成声能波束（图1B）。这种特性归因于离散层内不同类型和组合的夹杂物。受此启发，SBM由Pt催化的有机硅超弹性体和多分散内含物组成，包含固体微粒（如钨和石墨）和液体微滴（如甘油），其微观结构无序但统计上均匀（图1D）。SBM是热固性材料，可通过数字设计和增材制造进行编程，成为软超材料领域未来研究的有前途材料。

图 1. 受海豚前额软组织启发而设计的 SBM

宽带梯度声折射率

        SBM的声折射率决定了其在声功能器件中的适用性。作者研究了钨-硅弹性体、石墨-硅弹性体和甘油-硅弹性体三种SBM，发现随着夹杂物φ的增加，其声折射率呈非线性变化（图2A–2C）。钨基SBM的声折射率随着钨颗粒的增加显著上升，在φ为60%时达到2.229（图2A），而甘油基SBM的折射率则随着甘油微滴的增加而降低，在φ为40%时达到1.329（图2C）。这些结果表明，SBM的声学折射率变化范围宽广，适用于设计具有梯度声学特性的功能器件。评估显示，三种SBM在0.5-2 MHz频率范围内的声学折射率几乎相同，无色散（图2D–2F），理论上在高达20 MHz的频率下稳定。这表明SBM适用于各种频段的声学应用，包括低频远程声纳（1-50 kHz）、中频高分辨率成像声纳（100-200 kHz）和超高频率的生物医学超声（1-20 MHz），相比之下，其他材料如五模材料和空心铝壳由于带隙效应和宏观晶格尺寸限制表现出更窄的带宽。

声学透明度

        声学透明度是实现高效能量传递的关键，而声学传输系数（T）是该特性的关键指标。SBM在水下具有很高的声学透明度，表现出在宽频率范围内的高T。随着夹杂物φ的增加，SBM的声阻抗逐渐增大，与水的声阻抗差异可以忽略不计（1.483 MRayl），这有利于高能传输并减少界面反射损耗（图2G-2I）。在较低频率下，衰减不显著影响声波调制性能。此外，没有观察到频移，表明SBM是高声透明度的非色散介质（图2D-2F）。相比之下，多孔硅橡胶由于波长和窄带传输限制，在水下环境中的声学透明度较低，除非中间层厚度为半波长的整数倍（图2J）。而SBM在宽频率范围内和不同入射角下表现出优异的声学透明度，TL可忽略不计（小于-0.075 dB）（图2L）。作者的研究还表明，SBM在法向入射透射率方面优于多孔硅橡胶（图2K）。

图 2. SBM 声学特性评估

低机械刚度

        研究表明，SBM在拉伸载荷下能够承受显著变形而不会过度僵硬。三种SBM材料的应力-应变曲线（图3A）展示了它们卓越的拉伸性。具有不同φ的SBM材料可以拉伸至超过600%的应变，类似于未填充的纯弹性体（图3B），适用于动态变形或复杂几何形状的应用。固体颗粒（钨或石墨颗粒）直径的增大导致弹性模量增加，但仍保持低刚度；液体微滴（甘油）的φ增大则导致弹性模量减小（图3C）。这些结果表明，SBM在需要灵活性和可变形性的应用中具有实用性，其低刚度与生物系统中的软组织相当。SBM在加载和卸载过程中的最小滞后进一步证明了其卓越的机械性能（图3D）。唯一例外是新鲜制备样品的初始加载阶段，观察到典型穆林效应，但这种效果会随着后续加载而消失，表明SBM适用于需要重复拉伸或弯曲的应用。

图 3. SBM 的机械特性

        根据夹杂物的机械参数及其在有机硅弹性体基体中的填充分数，可以预期SBM的有效折射率、声透明度和机械刚度会有所不同。图4A展示了有效折射率与夹杂物体积分数 (ψ) 的关系，表明液体包裹体增加会降低neff，而气体夹杂物则导致neff快速增加，类似于二氧化硅气凝胶和基于PDMS的大孔材料。固体夹杂物如钨和石墨颗粒则会随着体积分数的增加促进neff增加，其中钨颗粒的增加最快。图4B展示了SBM的声学传输系数 (T) 分布，显示基于Ecoflex 00-30的SBM在水性环境中具有非常低的声传输损失 (TL)，这明显优于气体夹杂物复合材料。图4C显示了不同夹杂物对SBM机械性能的影响，刚性固体颗粒增加了SBM的刚度，而流体微滴则降低了刚度。尽管内含物的刚度变化显著，但在小部分内含物的情况下，SBM的弹性模量仍与纯有机硅弹性体保持相同数量级。这些发现表明，在夹杂物体积分数较小的情况下，SBM表现出高声透明度、梯度折射率和低机械刚度的独特组合。

图 4. SBM 中声梯度折射率、声透明度和机械刚度的设计图

        基于 SBM 的受海豚启发的可调谐声波束形成器SBM代表了一类有前途的生物材料，可用于实现声波的可调谐操纵。受到海豚将非定向声波转换为定向波束并通过前额机械变形调制波束模式的启发，作者提出了SBMs-ABF设备，能够动态控制水下宽带声束（图5A）。该设备由沿x轴的条带单元组成，具有不同比例的钨颗粒和甘油液滴，以获得沿该方向的梯度折射率（图5B），每个条带单元的声阻抗与水的声阻抗紧密匹配，确保高效宽带传输。实验结果显示，SBMs-ABF能够有效地将全向声波转换为定向声束，且使用的换能器为宽带圆柱形换能器，中心频率为70 kHz，对应波长为2.12 cm，SBMs-ABF厚度为亚波长（图5C和5D）。有限元模拟结果与实验吻合，声束方向性导致主瓣能量显著增加，声压是没有SBMs-ABF时的2.63倍，能量增益不小于8.40分贝（图5E和5F）。

图 5. 基于 SBM 的受海豚启发的声波束形成器

        通过沿 x 轴向 SBMs-ABF 施加机械应力引起机械变形（图6A），作者成功地展示了这种机械可重构声学装置中波束图案的有效可调性。精确控制拉伸长度使单波束转变为多波束，扩大了声学检测视野并增强了定位能力。非线性有限元模拟显示了拉伸变形后 SBMs-ABF 的几何形状和应力分布（图6B），实验和数值快照的位移一致性证实了模拟的可靠性（图6C）。声学模拟结果表明，当拉伸到 30 毫米时，单个波束转变为两个不同波束（图6D）。声压分布的实验结果与模拟结果一致（图6E）。

图 6. 通过机械拉伸对 SBMs-ABF 声束方向图进行动态调制

小结

        总之，受海豚前额软组织的启发，本文提出了一种新型声学 SBM，展示了前所未有的折射率、透射率和弹性模量综合值。这种卓越性能通过嵌入有机硅超弹性体中的固体颗粒或液体微滴实现，SBM 具备高声学透明度（T 接近 1）、梯度折射率（>1.25）和低机械刚度（<100 kPa），与海豚前额的软组织相当。基于此开发的 SBMs-ABF 能通过机械重构动态调节宽带声束方向图。这种可调谐超材料为声学操纵应用带来巨大希望，通过引入微观结构优化软物质的超声性能，实现准直、聚焦和涡流形成，增强探测、成像和通信。高声学透明度使 SBM 在水下检测和生物医学超声应用中具有优势，SBMs-ABF 可通过微小变形实现完美对称的双光束，提高聚焦超声肿瘤热疗的效率，并动态调整检测范围，促进多向声学通信。未来，SBMs-ABF 还可通过材料智能进一步增强，集成磁力、光学或热活性粒子，实现功能驱动和计算响应，为海洋声学和生物医学超声领域带来前所未有的进步。