Программируемый метаматериал: безграничные возможности управления звуком

Исследователи из Лаборатории волнового инжиниринга экстремальных и интеллектуальных материалов (We-Xite) под руководством доцента Усамы Р. Билала разработали перестраиваемый метаматериал, способный управлять звуковыми волнами. Он может изгибать, поглощать или фокусировать звук, при этом позволяя практически бесконечно изменять его форму в режиме реального времени.

Эта новаторская разработка опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Как поясняет аспирантка Мелани Кио, ведущий автор исследования, метаматериалы — это искусственные материалы с уникальными свойствами, редко встречающимися в природе. Целью команды было создание материала, который мог бы контролировать звуковые волны, регулируя частоту и функциональность, с потенциальными применениями от медицинской визуализации до звукоизоляции.

Метаматериал состоит из асимметричных столбиков с вогнутыми гранями, напоминающих форму яблочного ядра. Эти столбики расположены в сетке 11x11, и их ориентация регулируется моторами с шагом в один градус. При прохождении через материал звуковые волны отражаются от вогнутых поверхностей столбиков. Индивидуальная настройка каждого столбика открывает почти безграничное количество путей для распространения звуковых волн.

Это позволяет использовать материал для усиления звуковых эффектов путем фокусировки волн в одной точке. Такие возможности крайне важны для акустических пинцетов, методов медицинской визуализации, таких как ультразвук, а также для направленной терапии.

«Представьте себе опухоль головного мозга — что-то, что вы хотите уничтожить, но при этом не можете использовать скальпель или даже высокоинтенсивный звук вначале», — говорит Билал. «Для этого нужны волны очень малой амплитуды, которые фокусируются только в одной точке, а затем рассеиваются. Таким образом, можно ослабить опухоль, атаковать камень в почке или манипулировать мелкими частицами внутри человеческого тела, которые труднодоступны, но куда могут добраться звуковые волны».

Кроме того, разработанный метаматериал может служить платформой для изучения фундаментальных концепций в области волновой физики, например, топологических изоляторов — материалов, проводящих электричество по границам, но не через ядро. Исследователи применили свои метаматериалы для аналогичного управления звуком, позволяя звуковым волнам распространяться по внешней поверхности материала, не проникая внутрь.

«Это большое достижение для нашей области, поскольку обычно мы имеем лишь несколько стабильных состояний, к которым можно настроить материал, а этот дает нам больше конфигураций, чем количество атомов во Вселенной», — отмечает Билал. «Насколько это значимо для нашего сообщества!»

Кио объясняет, что идея использовать моторы для вращения отдельных столбиков возникла из желания решить давнюю инженерную проблему: «Традиционно метаматериалы фиксированы, то есть они не могут изменять форму после изготовления». Это означало бы, что метаматериал, манипулирующий звуком, мог бы быть настроен только на определенный диапазон частот, что не очень универсально. Фиксированный метаматериал также мог бы стать неэффективным при повреждении, даже от обычного износа.

В отличие от этого, данный метаматериал «позволяет переориентировать или «настраивать» его без необходимости перепроизводства всего материала», — говорит Кио. Электронное управление моторами упрощает программирование материала в режиме реального времени, многократно, без повторного производства.

«Еще одна уникальная особенность этой работы — комбинаторный аспект», — добавляет Кио, демонстрируя, что эффекты метаматериала можно контролировать еще больше, ориентируя столбики в комбинации друг с другом. Два, четыре или более столбиков, движущихся вместе, образуют «суперъячейку», что предоставляет инженерам еще больше переменных для экспериментов.

«Мы можем использовать эту платформу для множества трюков», — говорит Билал. «Суперъячейки в сочетании с асимметрией помогают нам еще больше расширить пространство проектирования. Это очень универсальный подход к настройке метаматериалов».

Огромное разнообразие возможных конфигураций создает трудности: при таком количестве вариантов невозможно вручную рассчитать, как каждый из них повлияет на звуковые волны. Кио шутит, что если бы она начала этот расчет сейчас, ее внукам еще пришлось бы работать над ним.

Билал ставит вопрос так: «Если вам нужно ориентироваться в количестве атомов во Вселенной, какой из них вы выберете?»

Исследовательская группа обращается к алгоритмам искусственного интеллекта и эвристике, чтобы понять, как материал будет распространять звук при различных конфигурациях. «Конечной целью будет полностью автономный материал, обладающий как возможностью, так и интеллектом для оптимизации своей производительности с помощью машинного обучения», — говорит Билал. «Эта платформа материалов приближает нас к реализации видения нашей лаборатории по волновому инжинирингу с помощью экстремальных и интеллектуальных материалов».

Путь длиной в годы. Путь Кио и Билала начался, когда Кио была студенткой и посещала курс Билала по вибрациям. Она начала заниматься исследованиями в лаборатории Билала «We-Xite», получив горячие рекомендации от коллеги-профессора. Кио признается, что изначально после выпуска планировала работать в промышленности. Однако в ходе своего студенческого исследовательского опыта она осознала, что работа в лаборатории часто опережает внедряемые в промышленности решения на годы. «Мне нравится быть на переднем крае», — говорит она.

«Уже много лет в нашей лаборатории мы пытаемся запрограммировать материалы для выполнения определенных функций, но всегда были ограничены количеством доступных возможностей», — говорит Билал. «Когда я начал этот проект с Мелани, я сказал ей, что существует ограничение на количество моторов, которыми мы можем управлять. В итоге Мелани, которая отлично разбирается в электронике… она просто села в лаборатории и собрала всю схему для этой платформы. Это очень большой проект: нужно укладывать столбики очень специфичным, точным образом, и нужно управлять каждым из них. Она сделала это наилучшим возможным образом». «По моему мнению, именно в этом и заключается суть UConn», — добавляет он. «Обучение молодых инженеров, чтобы они выросли и стали профессиональными учеными мирового класса, — одна из самых полезных частей работы профессора».