拜海豚为“师”啦！学习声波“秘籍”，水下“游刃有余”~

作者：李传福

在海洋深处，海豚以其独特的声纳系统——回声定位，展现出了惊人的导航和探测能力。它们通过发出高频声波并接收反射回来的回声，来探测和分析周围环境，无论是在黑暗还是浑浊的海水中，都能准确定位猎物，识别障碍物，甚至与同伴进行交流。这种声纳系统，依赖于海豚前额的脂肪垫来聚焦和导向声波，以及下颚的脂肪垫来接收声波并传导至内耳处理。海豚的这种能力，不仅是自然界中的奇迹，也激发了人类科学家的灵感。

受到海豚声纳系统的启发，厦门大学的张宇教授团队研发出了一种新型声学软生物超材料。这种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，这种声学软生物超材料由嵌入硅酮基质中的微米级固体颗粒或液滴组成，这种设计不仅赋予了材料柔软性，还使其能够有效地传输和操纵声波。

示意图 受到海豚声纳系统的启发开发的新型声学软生物超材料 图片来源：厦门大学

声学软生物超材料的声折射率随着夹杂物含量的增加呈现出非线性变化，这为设计具有梯度声学特性的功能器件提供了可能。在零点五到二兆赫的频率范围内，这种材料表现出无色散的特性，理论上甚至能在高达二十兆赫的频率下稳定工作。这种材料在水下具有很高的声学透明度，声传输系数接近百分之一百，这得益于其与水的声阻抗差异极小，从而减少了界面反射损耗。

这种声学软生物超材料在拉伸载荷下能够承受显著变形而不会变得过度僵硬，这使得它在需要灵活性和可变形性的应用中具有极大的实用性。无论是固体颗粒还是液体微滴，都能在保持材料低刚度的同时，调整其声学和机械性能。

基于这种声学软生物超材料的声波波束形成器能够通过机械拉伸动态地改变声波波束模式，从而实现声场的有效控制。这种可调谐超材料为声学操纵应用带来新的机遇，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。

随着材料科学的不断进步，这种声学软生物超材料将集成更多智能功能，如磁力、光学或热活性粒子，实现更为复杂和精细的声场控制。这不仅将推动科学技术的发展，更将为人类探索未知世界提供更加强大的工具。这种新型材料在声学监测、成像和通信方面展现出巨大的潜力，预示着未来在海洋声学和生物医学超声领域将迎来更多的突破和创新。