Учёные создали метаматериал с бесконечным числом форм для управления звуком
Исследователи из США совершили прорыв в материаловедении, создав программируемый метаматериал, способный в реальном времени управлять звуковыми волнами. Эта инновационная разработка открывает новые горизонты для медицинской визуализации, звукоизоляции и неинвазивной терапии. В отличие от традиционных метаматериалов, чьи свойства жёстко заданы при изготовлении, новое устройство обладает практически бесконечным количеством возможных конфигураций, что позволяет гибко настраивать его работу под разные частоты и задачи.
Материал, созданный в лаборатории Wave Engineering for eXtreme and Intelligent maTErials (We-Xite) под руководством профессора Осамы Билала, представляет собой решётку 11x11 из асимметричных столбов. Каждый столб имеет одну или несколько вогнутых граней, напоминающих по форме сердцевину яблока, и может индивидуально поворачиваться с шагом в один градус с помощью моторов. Именно переориентация этих столбов позволяет перестраивать функционал материала на лету. Звуковые волны, проходя через решётку, особым образом отражаются от вогнутых поверхностей, и, управляя углами поворота, можно заставить материал фокусировать, поглощать или перенаправлять звук.
Как отметил профессор Билал, количество стабильных конфигураций материала превышает число атомов во Вселенной, что является огромным достижением для этой области науки. Одной из самых впечатляющих сфер применения является медицина. Технология позволяет с чрезвычайной точностью фокусировать звуковые волны низкой амплитуды в одной точке, после чего они рассеиваются. Это открывает путь для неинвазивного разрушения опухолей, например, в головном мозге, где невозможно применить скальпель, или для лечения камней в почках.
Однако огромное количество вариантов конфигурации делает ручной расчёт их акустических свойств невозможным. Чтобы ориентироваться в этом безграничном пространстве конструкций, ученые используют алгоритмы искусственного интеллекта и эвристические методы. Конечной целью является создание полностью автономного материала, который сможет самостоятельно оптимизировать свою работу с помощью машинного обучения. Исследование, знаменующее начало эры умных и самонастраивающихся материалов, было в научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).