Nehmen Sie den Delphin als Ihren „Lehrer“! Lernen Sie das „Spickzettel“ der Schallwellen kennen und können Sie problemlos unter Wasser schwimmen ~

Autor: Li Chuanfu

In der Tiefsee zeigen Delfine mit ihrem einzigartigen Sonarsystem – der Echoortung – erstaunliche Navigations- und Ortungsfähigkeiten. Sie erfassen und analysieren ihre Umgebung, indem sie hochfrequente Schallwellen aussenden und reflektierte Echos empfangen. Sie können Beute genau orten, Hindernisse erkennen und sogar mit ihren Artgenossen kommunizieren, egal ob in dunklen oder trüben Gewässern. Dieses Sonarsystem nutzt Fettpolster auf der Stirn des Delfins, um die Schallwellen zu bündeln und zu lenken, und Fettpolster im Kiefer, um die Schallwellen zu empfangen und sie zur Verarbeitung an das Innenohr weiterzuleiten. Diese Fähigkeit der Delfine ist nicht nur ein Wunder der Natur, sondern inspiriert auch menschliche Wissenschaftler.

Inspiriert vom Sonarsystem der Delfine hat das Team von Professor Zhang Yu an der Universität Xiamen eine neue Art von akustischem, weichem Bio-Metamaterial entwickelt. Das Material verfügt über eine hohe akustische Transparenz und einen Gradientenbrechungsindex, wodurch es sich ideal für die Unterwasserüberwachung und medizinische Ultraschallanwendungen eignet. Im Gegensatz zu herkömmlichen starren Metamaterialien besteht dieses akustische, weiche Bio-Metamaterial aus mikrometergroßen festen Partikeln oder Tröpfchen, die in eine Silikonmatrix eingebettet sind. Diese Konstruktion verleiht dem Material nicht nur Weichheit, sondern ermöglicht ihm auch die effektive Übertragung und Manipulation von Schallwellen.

Schematische Darstellung eines neuen akustischen weichen Bio-Metamaterials, inspiriert vom Delfin-Sonarsystem. Bildquelle: Universität Xiamen

Der akustische Brechungsindex von weichen akustischen Biometamaterialien zeigt mit zunehmendem Einschlussgehalt eine nichtlineare Änderung, was die Entwicklung funktionaler Geräte mit abgestuften akustischen Eigenschaften ermöglicht. Im Frequenzbereich von 0,5 bis 2 MHz weist dieses Material dispersionsfreie Eigenschaften auf und kann theoretisch sogar bei Frequenzen bis zu 20 MHz stabil arbeiten. Dieses Material verfügt unter Wasser über eine hohe akustische Transparenz mit einem akustischen Übertragungskoeffizienten von nahezu 100 Prozent. Dies ist auf den äußerst geringen Unterschied der akustischen Impedanz im Vergleich zu Wasser zurückzuführen, wodurch die Reflexionsverluste an der Grenzfläche verringert werden.

Dieses akustisch weiche Bio-Metamaterial kann unter Zugbelastung erhebliche Verformungen erfahren, ohne übermäßig steif zu werden, was es für Anwendungen äußerst nützlich macht, bei denen Flexibilität und Verformbarkeit erforderlich sind. Ob feste Partikel oder Flüssigkeitströpfchen, sie können die akustischen und mechanischen Eigenschaften des Materials optimieren und gleichzeitig seine Steifigkeit gering halten.

Der auf diesem weichen akustischen Bio-Metamaterial basierende akustische Strahlformer kann das akustische Strahlmuster durch mechanische Dehnung dynamisch verändern und so eine effektive Kontrolle des Schallfelds erreichen. Dieses abstimmbare Metamaterial eröffnet neue Möglichkeiten für Anwendungen zur akustischen Manipulation, indem es die Ultraschalleigenschaften weicher Materie durch die Einführung von Mikrostrukturen optimiert, um Kollimation, Fokussierung und Wirbelbildung zu erreichen und so die Erkennung, Bildgebung und Kommunikation zu verbessern.

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Materialwissenschaft wird dieses akustische, weiche Bio-Metamaterial intelligentere Funktionen wie magnetische, optische oder thermisch aktive Partikel integrieren, um eine komplexere und ausgefeiltere Schallfeldsteuerung zu erreichen. Dies wird nicht nur die Entwicklung von Wissenschaft und Technologie fördern, sondern den Menschen auch leistungsfähigere Werkzeuge zur Erforschung der unbekannten Welt an die Hand geben. Dieses neue Material weist ein großes Potenzial in der akustischen Überwachung, Bildgebung und Kommunikation auf und läutet in der Zukunft weitere Durchbrüche und Innovationen in den Bereichen Meeresakustik und biomedizinischer Ultraschall ein.