Kunstige materialer rekonstruerer marsvins ekkolokalisering

Over millioner af år, Marsvin har udviklet kraftfulde biosonarer med høj nøjagtighed og intelligens til at detektere og spore bytte i støjende undervandsmiljøer. Lydkilden i et marsvin er omkring halvdelen af ​​bølgelængden af ​​dets udsendte akustiske bølger. Ifølge lærebogens sonarteorier, det er svært at kontrollere de retningsbestemte lydbølger til måldetektion. Marsvin, med bemærkelsesværdige sonardetektionsegenskaber, har været kendt som en naturlig legende om ekkolokalisering, men hvordan man rekonstruerer deres akustiske superstrukturer har været en kæmpe udfordring for kunstigt design.

I et forskningsarbejde offentliggjort i National Science Review (NSR), forskergrupperne af prof. Yu Zhang fra Xiamen University og prof. Nicholas Xuanlai Fang fra Massachusetts Institute of Technology gjorde spændende fremskridt på dette forskningsområde. De foreslog at rekonstruere de finneløse marsvins fysiske model via hybride metamaterialer baseret på computertomografi-billeddannelse og gradientlydhastighedsmåling (fig. 1).

Denne fysisk baserede marsvin model (PPM) kan manipulere de retningsbestemte lydstråler gennem de flerfasede kunstige materialer såsom luftsække, fast struktur, og gradientmaterialer. Retningsanordningen kan producere forbigående spejlende reflekterede og elastiske bølger ved at interagere med et undervandsmål, som minder meget om finfri marsvin biosonar (fig. 2). Denne fordel gør det muligt at forbedre detektionsnøjagtigheden væsentligt og undertrykke forstyrrelser fra omgivelsernes støj og efterklangsinterferens såsom havgrænseflader og ikke-detekterede mål.

Akustiske feltsimuleringer og eksperimentelle målinger viste, at PPM øgede hovedlobens energi i en lang række frekvenser. Imidlertid, det finneløse marsvin bruger normalt smalbåndet sonar, tyder på, at denne fysiske model forbedrer ekkolods ydeevne yderligere. Ud over, eksperimentelle målinger viste, at denne enhed øgede signal-til-støj-forholdet til undervandsmåldetektion. Dermed, PPM kan vise god ydeevne i retningsbestemt detektering af undervandsmål og undertrykke falske målinterferenser.

Den fysisk-baserede marsvin model bygger bro mellem biosonar og kunstige systemer ved at efterligne biologiske materialer. Det fysiske modelleringsstudie af marsvin hjælper os ikke kun med at udforske det naturlige mysterium bag marsvinets biosonar, men også for at fremme udviklingen af ​​bioinspireret teknologi, for at nå målet om "fra naturen, men hinsides naturen." Princippet om bølgemanipulation i komplekse flerfasede medier er universelt, og bioinspirerede enheder kan blive brugt i vid udstrækning inden for akustisk undervandsføling, Ikke-destruktiv testning, og medicinsk ultralyd, etc.