基于超构表面的机械波操控新方法：革命性提升操控声音和振动的能力！
2025-10-16 11:02:09 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这些超构表面采用尖端3D打印技术制造，具有微观柱状阵列，它们根据相对的扭转角度，以复杂的方式相互作用，进而使研究人员能够实时动态调整波的传播行为。
据麦姆斯咨询报道，在一项有望重新定义人类操控声音和振动方法的突破性进展中，美国纽约城市大学研究生中心先进科学研究中心的科研人员揭示了一种名为“扭转弹性学”的革命性方法。受到新兴的“扭转电子学”（通过扭转层状材料控制电子流而调控电子器件的性能）的启发，这项新技术利用扭转工程化弹性表面，能够以前所未有的精度和灵活性控制机械波的传播。
研究人员利用扭转超构表面操控机械波，为传感、成像和电子技术带来新突破
传统的声波和振动控制方法依赖于固定的结构设计，这限制了其适应性和性能，特别是在超声成像、微电子和先进传感器等应用中，该问题尤为凸显。该研究所提出的扭转弹性学方法，通过在两个相同图案的超构表面（metasurfaces）之间引入微小的旋转角度能够规避这些限制。这些超构表面采用尖端3D打印技术制造，具有微观柱状阵列，它们根据相对的扭转角度，以复杂的方式相互作用，进而使研究人员能够实时动态调整波的传播行为。
这项发现的核心在于利用扭转引起的拓扑转变。当两个超构表面相对旋转时，它们共同构建的弹性环境会发生深刻变化，进而主导了振动的传播路径。在特定的“扭转角度”下，机械波变得高度聚焦并沿预定义轨迹传播，为以超高保真度引导弹性能量提供了一种新范式。这与传统超构表面形成鲜明对比，传统超构表面的波导是静态且带宽受限的。
纽约城市大学先进科学研究中心爱因斯坦讲席教授和光子学计划创始主任Andrea Alù解释说：“扭转弹性学的精妙之处在于其简单性。通过仅旋转两层超构表面，我们开启了先前无法触及的一系列可控波传播现象。这种方法中蕴含的适应性，有望在信号处理速度和效率方面实现革命性改进，有望为电信、声学传感和医疗诊断技术带来变革。”
从理论角度来看，该研究将波动力学原理与拓扑物理学相结合，揭示了层间旋转自由度如何调制弹性波的能带结构。基于先进的弹性动力学模型进行的计算机模拟指导了原型制造。这些3D打印超构表面包含了精心设计的微柱，作为散射中心，其相对配置在扭转作用下能够以可调且可逆的方式调谐波的散射和干涉。
通过实验，该团队证明，复合扭转超构表面能够在宽频率范围内实现波模式的宽带控制，满足多样化的应用需求。与因制造不一致而导致性能损失的传统方法不同，扭转弹性系统由于其拓扑鲁棒性，能够内在地缓解此类缺陷，确保即使在非理想的实际应用中也能持续确保波导功能。
这项研究令人印象深刻的结果之一，是扭转弹性结构的潜在小型化能力，使其适用于芯片级器件。这种紧凑的平台有望集成到现代微电子架构中，为超薄层提供动态声学控制。通过在纳米尺度实现实时可重构振动管理，有望彻底变革消费电子产品、可穿戴医疗设备和微流控系统。
此外，动态调节机械波传播的能力为非侵入性医学成像开辟了新前景。超声波系统可以利用扭转弹性材料来即时调整其声学特性，在降低能耗的同时实现更高分辨率的成像。类似地，工业和环境领域的传感器在检测结构故障或细微物理化学变化时，将变得更加灵敏、更具选择性。
这项开创性研究成果已于近期发表在《美国国家科学院院报》上，标志着在控制机械波至关重要的技术领域实现了重大突破。通过将扭转学的动态能力引入弹性动力学领域，扭转弹性学方法为渴望推动波操控前沿的工程师和物理学家们打开了大门，预示着声波和振动波也可以像光或电子一样精确调控。
随着进一步的研究与开发，扭转弹性学方法有望很快走出实验室，为智能材料及器件铺平道路。届时，按需控制声音和振动将变得像调收音机一样平常。随着各行各业寻求更高效的方法来利用波进行通信、传感和成像，扭转弹性学范式有望成为变革者，为未来设计自适应、响应式和稳健的波控技术提供关键支撑。
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