Bioinspireret metagel med afstembar bredbåndsimpedans

Impedansmatching er et koncept, der kan maksimere energitransmission fra en kilde gennem et medie, og er etableret på tværs af elektriske, akustisk og optisk teknik. Det er ofte nødvendigt at tilpasse en belastningsimpedans til kilden eller intern impedans af en drivkilde. Det eksisterende design til at lette akustisk impedanstilpasning er fundamentalt begrænset af smalbåndstransmission (dataoverførsel med en langsom eller lille overførselshastighed). I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Videnskabens fremskridt , Erqian Dong og et forskerhold i Kina og USA detaljerede en hidtil ukendt klasse af bioinspirerede metagelimpedanstransformatorer for at omgå de eksisterende grænser, ved at udvikle en transformer indlejret i en metamateriale-matrix af stålcylindre i hydrogel. Holdet analyserede derefter teoretisk bredbåndstransmission efter at have introduceret bioinspireret akustisk impedans (produktet af tætheden af ​​porøse medier, som en lydbølge bevæger sig igennem, og lydbølgens hastighed) og udførte eksperimenter med enheden for at vise effektiv implementering af metagelen under vandet ultralydsdetekteringsforsøg. Den eksperimentelle konstruktion opretholdt en blød, afstembar sammensætning og vil bane en ny og uventet måde at designe næste generations bredbåndsimpedansmatchende enheder til forskellige bølgekonstruktionsapplikationer.

Metamaterialer og akustiske materialer

Impedanstilpasning kan maksimere energitransmissionen mellem to mismatchende medier. I 1920'erne, Bell-laboratorier opdagede vigtigheden af ​​impedanstilpasning for at lette transkontinental telefonkommunikation, og forskere har siden designet flere lag og akustiske metamaterialer for at opnå tunbar og bredbåndstransmission. Imidlertid, det er stadig udfordrende at overvinde smalbåndstransmissionen. I kablede kanaler, smalbånd angiver en tilstrækkelig smal kanal, hvor frekvensresponsen anses for flad med en langsom dataoverførselshastighed. I dette arbejde, Dong et al. rapporterede en strategi til at overvinde smalbåndsgrænser med en bioinspireret metagelimpedanstransformator (kendt som BMIT) - bioinspireret af delfinernes sonarsystemer, der bruges til ekkolokalisering i undervandsmiljøer. For at opnå den forventede impedansfordeling, Dong et al. indlejret hydrogel i en matrix af stålcylindre for at designe og bygge et metamateriale. Metamaterialer er et kraftfuldt værktøj til at programmere og designe mikrostrukturers fysiske egenskaber og give en række nye effekter, herunder negativ diffraktion for usynlig tilsløring og andre ekstraordinære transmissioner. Hydrogeler er også potentielle kandidater til sådanne applikationer på grund af deres bløde, våd og biokompatibel natur. Sådant materiale kan bruges til at etablere akustisk bredbåndstransmission mellem to uoverensstemmende medier. Den nye konstruktion integrerede derfor funktionerne i både et metamateriale og hydrogel.

Dong et al. rekonstruerede den akustiske gradientimpedansfordeling placeret i hovedet af en indo-Stillehavspukkeldelfin ved hjælp af computertomografiscanning efterfulgt af vævseksperimenter for at opnå den akustiske gradientimpedansfordeling i delfinens hoved. Forskerne transmitterede et bredbåndsspektrum gennem kanalen og beregnede den akustiske impedansfunktion af BMIT i forhold til delfinens biosonaregenskaber. Konstruktionens kernestruktur opretholdt lav akustisk impedans og fungerede som en akustisk kanal til at lede energifluxen langs. Holdet efterlignede delfinens deformerbare pande ved hjælp af metagelstrukturer og tunede materialets impedansprofil ved at komprimere hydrogelen for at opnå effektiv akustisk impedans. Dong et al. viste, at BMIT opnåede bredbåndsimpedansmatchning ved at sammenligne de simulerede akustiske felter i BMIT og kvartbølge-impedans-transformeren (QIT)-typisk brugt til at maksimere energitransmission. 2-D metagel udviklet til at efterligne bioinspireret impedans havde fordelen af ​​bredbåndsmatchning.

Afsløring af impedans -matchningsmekanismen for BMIT.

Holdet gennemførte yderligere undersøgelser for at forstå BMITs impedanstilpasningsmekanismer. For eksempel, delfiner kan manipulere de akustiske transmissioner af deres biosensor gennem akustiske impedansfordelinger i deres pande, hvor et blødt impedanstilpasningssystem kan transmittere bredbåndssignaler til vand. Bindevæv i delfinens pande ligner en kompleks hornlignende struktur i den posteriore panderegion, som indeholder den højeste akustiske impedans. Som resultat, delfiner kan justere deres pandemuskler gennem ansigtsmuskelkompression for at opnå vævsdeformation og manipulere akustisk retning. Ifølge transformationsakustik (et værktøj, der viser de præcise materialeegenskaber, der er nødvendige for specifikt at manipulere lydbølger), impedansfunktionen kunne transformeres gennem akustisk karakteristisk impedans baseret på geometrisk deformation. I dette tilfælde, metagelen repræsenterede en komprimeret rumversion af delfinens hornstruktur og tilbød akustisk-solid kobling til undervandsanordningen.

Bevis på koncept

Forskerne verificerede bredbåndsimpedansmatchende anvendelser af BMIT ved eksperimentelt at udvikle et 2-D sekskantet array af stålcylindre indlejret i agarosehydrogel. Den akustiske impedans af agarosehydrogelen var relativt lig delfinens væv. For at indstille den akustiske impedans af den resulterende BMIT, holdet ændrede fyldningsforholdet for metalcylindre eller komprimerede hydrogelen. De udførte derefter undersøiske ultralydstransmissionsforsøg i en vandtank og sammenlignede de transmitterede akustiske signaler fra QIT (kvartbølge-impedans-transformer) og BMIT (bioinspireret metagel-impedans-transformer), hvor de eksperimentelle resultater stemte overens med numeriske simuleringer. Holdet udførte derefter undervandsultralydsdetektion ved at bruge BMIT og QIT til at koble en ekkolodstransducer med vand (en enhed til at udsende lydbølger og modtage ekkoer). De bemærkede, at BMIT transmitterede signaler med højere intensitet og opnåede længere detektionsafstande. BMIT -materialet viste bedre ydeevne sammenlignet med QIT under lignende akustisk hændelsesintensitet; derfor, Dong et al. anbefalet for dets brug i bredbåndsimpedanstilpasningsfunktioner til undervandsregistreringsapplikationer.

På denne måde Erqian Dong og kolleger viste, hvordan den bioinspirerede metagelimpedanstransformator (BMIT) overvandt smalbåndsgrænsen ved at bryde længde-bølgelængdeafhængigheden. Holdet udviklede denne bioinspirerede enhed ved at efterligne delfiners biosonar. Mens delfinens biosonar er en kompleks 3-D impedanstransformer, den bioinspirerede 2-D metagel tillod bredbåndsimpedanstilpasning for at forbedre energitransmissionen. Den kombinerede bioinspirerede hydrogel- og metamateriale-enhed tilbød attraktive funktioner til effektiv afstemning. Den akustiske impedans af metagelen kan justeres ved at tildele forskellige niveauer af kompression, mens den stadig opretholder konstant bredbånds akustisk transmission. På denne måde BMIT leverede en ny ramme til at designe en bredbåndsimpedanstransformer til højopløsnings-ekkolod eller radar. Dette arbejde vil have betydelig indflydelse på forskellige områder, herunder akustik, elektronik, mekanik og i elektromagnetisme.

© 2020 Science X Network