Badacze z laboratorium Wave Engineering for eXtreme and Intelligent maTErials na University of Connecticut (We-Xite) od lat podążają za zupełnie inną wizją. Zamiast traktować izolację akustyczną, medyczne ultradźwięki i tłumienie drgań jako trzy osobne problemy, zadali pytanie, co by było, gdyby dało się zbudować pojedynczy materiał, który na żądanie przeprogramowuje się tak, by wykonywać wszystkie te zadania… i nie tylko. Efektem jest programowalny metamateriał akustyczny, który nie przełącza się jedynie między kilkoma z góry ustalonymi trybami, ale też może przyjmować więcej odrębnych konfiguracji, niż jest atomów w obserwowalnym wszechświecie – wszystko dzięki obracanym, mikroskopijnym filarom ułożonym w siatkę.
Ten programowalny materiał zagina dźwięk na zawołanie
Metamateriały to zaprojektowane przez człowieka struktury, których właściwości wynikają przede wszystkim z geometrii, a nie z samej chemii materiału. W akustyce oznacza to zwykle układy kanałów lub rezonatorów, które spowalniają, blokują albo odginają fale dźwiękowe w sposób niedostępny dla zwykłych materiałów. Większość takich konstrukcji jest jednak ustanawiana raz, bo na samym etapie produkcji. Gdy geometria zostanie raz ustalona w fabryce, to co najwyżej można ją delikatnie dostroić, zmieniając temperaturę czy dodając aktywne głośniki – ale nie da się przeprojektowywać materiału co sekundę tak, by na bieżąco dopasowywał się do dowolnego wzoru fali, jaki chcemy uzyskać. Zespół z UConn pod kierownictwem adiunkta Osamy R. Bilala postanowił zerwać z tym ograniczeniem.
Czytaj też: Zamiast grafitu włóknina z krzemem. Niemcy uczą świat, jak wyciskać więcej z akumulatorów
Ich prototyp wygląda zdradliwie prosto. Jest to siatka z 11 na 11 pionowych filarów, z których każdy przypomina nieco ogryzek jabłka przez swoje wklęsłe boki. Każdy filar może obracać się niezależnie i jest sterowany niewielkim silnikiem elektrycznym wykonującym kroki co jeden stopień. Gdy przez taką strukturę przechodzi fala dźwiękowa, wielokrotnie odbija się od wklęsłych powierzchni. Wystarczy obrócić filary o kilka stopni, aby zmienić układ odbić i skierować energię w nowe ścieżki. Ponieważ każdy z 121 filarów może przyjąć wiele różnych kątów ustawienia, liczba możliwych wzorów rośnie w sposób kombinatoryczny i dlatego naukowcy mogą z pełnym przekonaniem twierdzić, że przestrzeń projektowa tego systemu spokojnie przekracza typowe szacunki liczby atomów we wszechświecie, rzędu 10⁸⁰.
Od zabójcy hałasu do łowcy guzów
Co ważne, te wzory nie są tylko ciekawostką. Zespół wykazał, że dzięki odpowiedniemu ustawieniu filarów potrafią skupić dźwięk w niewielkim obszarze, zamieniając siatkę w coś na kształt soczewki. Przy umiarkowanych częstotliwościach eksperymentalnych w zakresie kiloherców (zbliżonych do bardzo wysokich tonów słyszalnych) można fale tłumić, lokalizować albo omijać nimi wybrane fragmenty próbki. Siatkę można też skonfigurować tak, by naśladowała tak zwane izolatory topologiczne, czyli egzotyczne materiały, w których fale mogą swobodnie poruszać się wzdłuż krawędzi, podczas gdy propagacja przez wnętrze jest silnie tłumiona. Pomysł ten pierwotnie pochodził z układów elektronicznych, za które kilka lat temu przyznano Nagrodę Nobla, ale akustyczne odpowiedniki stały się dziś ważnym kierunkiem badań, bo dźwięk prowadzony po krawędzi jest odporny na defekty i niedoskonałości struktury.
Czytaj też: Chiny z kolejnym przełomem. 3000-krotnie wyprzedziły resztę świata
Jeśli przenieść ten koncept w rejony ultradźwięków w zakresie megaherców, takich jak te używane już dziś w obrazowaniu medycznym czy litotrypsji, to łatwo zrozumieć, skąd biorą się skojarzenia z osłabianiem guzów mózgu czy kruszeniem kamieni nerkowych bez konieczności wykonywania nacięcia. Zamiast przesuwać sondę ręcznie, przyszłe urządzenie mogłoby elektronicznie przeprogramowywać materiał tak, by punkt skupienia przemieszczał się po tkance, trafiał w cel, a następnie natychmiast się rozpraszał, chroniąc tym samym biologiczną tkankę. Jest to kusząca wizja, ale jednocześnie scenariusz, który rodzi trudne pytania o bezpieczeństwo, kalibrację i regulacje wykraczające daleko poza samą fizykę.
Czytaj też: Zszedł w głębiny, a Chiny dostały skarb. Głębinowe górnictwo to już nie marzenia
Aby uczynić siatkę jeszcze bardziej wszechstronną, badacze grupują filary w tak zwane superkomórki, w których przynajmniej dwa filary poruszają się razem jak jeden element. Dzięki połączeniu indywidualnych silników z przekładniami obsługującymi całe klastry udaje się pogodzić bardzo precyzyjne sterowanie z praktycznymi ograniczeniami okablowania i elektroniki. W teorii taki układ można skalować, ale droga od laboratoryjnego prototypu do odpornego na trudy eksploatacji panelu jest wciąż bardzo długa. Sami badacze przyznają zresztą, że to dopiero początek – równolegle prowadzą projekt wykorzystujący podobne idee do redukcji oporu powietrza na poruszających się obiektach, co sugeruje przyszłe zastosowania transportowe, ale na razie nie przekłada się jeszcze na twarde liczby opisujące zysk. Największym problemem nie jest jednak samo zbudowanie urządzenia, tylko zdecydowanie, jak je wykorzystać.
Co teraz z manipulowaniem dźwięku wyjątkowym materiałem?
Dzisiejszy prototyp z 121 filarami nie zmieni jeszcze akustyki szpitali ani autostrad. Zmienia jednak coś innego, bo sposób, w jaki myślimy o inżynierii dźwięku. Zamiast kolejnych gadżetów w postaci nowych paneli, ekranów i mat, oto właśnie pojawiła się kategoria materiałów, które można traktować jak platformy. Raz zamontowane, mogłyby przez dekady uczyć się nowych sztuczek i tak też jednego dnia optymalizować pogłos w sali koncertowej, innego minimalizować zmęczenie kierowcy w kabinie ciężarówki, a jeszcze innego skupiać ultradźwięki dokładnie tam, gdzie potrzebuje tego chirurg.
Taki scenariusz niesie jednak ze sobą nie tylko zachwyt, ale i obowiązki. Materiał, który sam się przeprogramowuje pod kontrolą algorytmów, musi być przewidywalny w stopniu większym niż klasyczny kawałek tworzywa. Trzeba będzie odpowiedzieć na pytania, jak certyfikować jego działanie w medycynie, kto ponosi odpowiedzialność za błąd konfiguracji, a nawet to, jak chronić go przed złośliwym przeprogramowaniem. Jeśli uda się przepchnąć projekt dalej, to za kilka lat dźwięk może stać się kolejnym precyzyjnym narzędziem, porównywalnym z promieniem lasera czy wiązką w akceleratorze cząstek, ale oswojonym na tyle, by pracował dla nas na co dzień, w szpitalu, biurze i domu.