Нов метаматериал за контрол на звука има „повече конфигурации, отколкото атомите във Вселената“

Американски изследователи са разработили акустичен метаматериал с променливи свойства, който може да манипулира звуковите вълни, като ги извива, отслабва или фокусира. Нещо повече, той може да се настройва в реално време, като се използва почти безкраен брой възможни форми, което преодолява традиционното ограничение на фиксираните метаматериали. Приложенията на материала варират от медицински изображения до звукоизолация.

Метаматериалите – т.е. тези, които са изкуствено създадени и имат изключителни свойства – обикновено имат фиксирани функции, ограничени до задачата, която изпълняват. Предизвикателството пред учените от Университета на Кънектикът е било да разработят метаматериал, който не само да контролира звуковите вълни, но и да позволява регулиране на честотата и функциите.

Новият метаматериал се състои от мрежа от асиметрични колони (11 × 11), всяка от които има един или повече вдлъбнати ръбове, наподобяващи отхапана ябълка. Тези колони не са фиксирани. Движението на всяка от тях се контролира от двигатели. Този дизайн позволява прецизно регулиране с интервал от един градус, пише IE.

Като променят ориентацията на колоните, инженерите могат да персонализират свойствата на материала в реално време, като го адаптират незабавно към различните приложения.

Звуковите вълни, преминаващи през мрежата, се отразяват от вдлъбнатите повърхности на колоните. Тъй като ъгълът на всяка колона определя траекторията, материалът може да бъде програмиран да изпълнява различни функции.

Едно от най-интересните приложения на метаматериала е в медицината. Той може да се използва за фокусиране на звуковите вълни с изключителна прецизност, като усилва въздействието им в една точка. Насочените звукови вълни могат да се използват за неинвазивно отслабване на ракови тумори, въздействие върху камъните в бъбреците или манипулиране на малки частици в човешкото тяло – задачи, които понастоящем са трудни или невъзможни за изпълнение с помощта на конвенционални методи. Като цяло технологията обещава да подобри техниките за медицинско изобразяване като ултразвук и акустична пинсета.

Друго приложение е намаляването на съпротивлението на движещи се обекти с цел пестене на енергия и гориво.

„Това е голямо постижение за нашата област, защото обикновено има няколко стабилни състояния, в които може да се конфигурира даден материал, но сега имаме повече конфигурации, отколкото са атомите във Вселената“,

казва Осама Р. Билал, един от изследователите.

Наистина, огромният брой конфигурации на материала поставя нов проблем пред разработчиците: невъзможно е да се изчисли ръчно как всяка от тях ще повлияе на звука. За да се ориентира в това дизайнерско пространство, екипът решава да се обърне към алгоритмите и евристиките на изкуствения интелект.

„Крайната цел ще бъде напълно автономен материал, който има както способността, така и интелигентността да оптимизира работата си чрез машинно обучение“,

обещава Билал.