Лаборатория волновой инженерии для экстремальных и интеллектуальных материалов (We-Xite) под руководством доцента инженерных наук Усамы Р. Билала разработала реконфигурируемый метаматериал, который может управлять звуковыми волнами — изгибать, гасить или фокусировать их — и при этом кодировать настройку в реальном времени с практически бесконечным количеством возможных форм.

Их работа теперь опубликована в Трудах Национальной академии наук.

«Метаматериалы — это искусственные материалы, способные приобретать необычные свойства, редко встречающиеся в природе», — объясняет докторант Мелани Кио (выпуск 22 года, Англия), первый автор исследования. В данном случае исследовательская группа хотела разработать материал, способный контролировать звуковые волны, при этом регулируя как частоту, так и функции, с потенциальными сферами применения — от медицинской визуализации до звукоизоляции.

Метаматериал состоит из асимметричных столбов с одной или несколькими вогнутыми гранями, напоминающими по форме яблочный огрызок. Эти столбы расположены в сетке 11×11, а ориентация каждого столба контролируется двигателями. Двигатели точно настроены, что позволяет контролировать ориентацию с шагом в один градус.

Звуковые волны, проходя через материал, отражаются от вогнутостей столбов. Поскольку каждый столб можно регулировать индивидуально, существует практически бесконечное число потенциальных путей распространения звуковых волн через решетку.

Это означает, что материал можно использовать для усиления эффекта звуковых волн, направляя их в одну точку. Подобные применения чрезвычайно полезны в акустических пинцетах, методах медицинской визуализации, таких как УЗИ, или в методах направленной терапии.

Потенциальные применения и научное влияние

«Представьте себе опухоль мозга — нечто, что вы хотите уничтожить, но в то же время не можете проникнуть туда скальпелем. Поначалу туда невозможно проникнуть даже очень интенсивным звуком», — объясняет Билал. «Поэтому нужны волны очень низкой амплитуды, которые будут фокусироваться только в одной точке, а затем рассеиваться. Таким образом, можно ослабить опухоль, или воздействовать на камень в почках, или манипулировать мелкими частицами внутри человеческого тела, к которым у вас нет доступа, но звуковые волны могут».

С другой стороны, разработанный метаматериал может также использоваться в качестве платформы для изучения фундаментальных концепций физики волн. Одним из примеров являются топологические изоляторы, или материалы, способные проводить электричество по границам, но не через сердцевину, – концепция, которая несколько лет назад была удостоена Нобелевской премии по физике. Исследовательская группа использовала свои метаматериалы для управления звуком аналогичным образом, то есть звуковые волны можно направлять так, чтобы они распространялись по внешней поверхности материала, не проникая в него.

В другом исследовании группа использует метаматериалы для уменьшения сил сопротивления движущимся объектам, что позволяет сократить расход энергии и топлива.

«Это большое событие для нашей области, потому что обычно существует несколько стабильных состояний, на которые можно настроить свой материал, но это даёт нам больше конфигураций, чем число атомов во Вселенной», — говорит Билал. «Вот насколько это важно для нашего сообщества».

Инновации в дизайне и реконфигурируемость

Кио объясняет, что исследовательская группа пришла к идее использовать шестерни или двигатели для вращения отдельных столбов, поскольку они хотели решить насущную инженерную проблему: «Традиционно метаматериалы фиксированы, то есть не могут менять форму после изготовления». Для метаматериала, управляющего звуком, это означало бы, что его можно «настроить» только на управление определённым диапазоном частот — не очень-то универсально. Фиксированный метаматериал также может стать совершенно неэффективным при повреждении, даже в результате обычного износа.

В отличие от этого, этот метаматериал «позволяет переориентировать или «настраивать» его без необходимости повторного изготовления всего материала», — говорит Кио.

А поскольку двигатели могут управляться электроникой, они облегчают программирование материала в реальном времени, снова и снова, вместо того, чтобы прибегать к повторному изготовлению.

«Ещё одна уникальная особенность этой работы — комбинаторный аспект», — поясняет Кио, демонстрируя, что эффекты метаматериала можно ещё лучше контролировать, ориентируя столбы в сочетании друг с другом. Два, четыре или более столбов, движущихся вместе, образуют «суперячейку», предоставляющую инженерам ещё больше возможностей для экспериментов.

«С этой платформой мы можем творить чудеса», — говорит Билал. «Суперячейки в сочетании с асимметрией помогают нам ещё больше расширить пространство для проектирования. Это очень универсальный подход к настройке метаматериалов».

Проблемы и будущие направления

Огромный простор для проектирования создаёт трудности: при таком количестве возможных конфигураций опор невозможно вручную рассчитать, как каждая из них повлияет на звуковые волны. Кио шутит, что если бы она начала работу сейчас, её внуки всё ещё занимались бы расчётами.

Билал ставит вопрос следующим образом: «Если вам нужно будет определить количество атомов во Вселенной, какой из них вы выберете?»

Исследовательская группа обращается к алгоритмам искусственного интеллекта и эвристике, чтобы понять, как материал будет распространять звук в различных конфигурациях. «Конечной целью будет полностью автономный материал, обладающий как способностью, так и интеллектом для оптимизации своих характеристик посредством машинного обучения», — говорит Билал. «Эта платформа приближает нас к реализации нашей лабораторной концепции волновой инженерии с помощью экстремальных и интеллектуальных материалов».

Путешествие, длившееся годы

Сотрудничество Кио и Билала началось ещё в студенческие годы, когда она прослушала курс Билала по вибрациям. Она начала проводить исследования в лаборатории Билала «We-Xite», получив от коллеги-профессора отличную рекомендацию.

Кио говорит, что изначально после окончания университета она хотела работать в промышленности. Но в ходе бакалавриата, где она проходила исследовательскую работу, она поняла, что лабораторная работа часто «на годы опережает» решения, внедряемые в промышленность.

«Мне нравится быть в авангарде», — говорит она.

«В нашей лаборатории мы уже много лет пытаемся запрограммировать материалы на выполнение определённой функции, но нас всегда ограничивало количество доступных возможностей», — говорит Билал. «Когда я начинал этот проект с Мелани, я сказал ей, что существует ограничение на количество двигателей, которыми мы можем управлять. А Мелани, которая так хорошо разбирается в электронике… просто села в лаборатории и собрала всю схему для этой платформы. Это очень большой проект — нужно сложить столбы очень точным, очень точным образом, и нужно контролировать каждый из них. Она сделала это самым замечательным способом, какой только можно себе представить».

«На мой взгляд, именно в этом и заключается суть Калифорнийского университета в Коннектикуте», — добавляет он. «Обучение молодых инженеров, чтобы они росли и развивались в профессиональных учёных мирового уровня, — одна из самых приятных сторон преподавательской деятельности».