Projeto e operação de meta-tijolos dinâmicos, mostrando o conceito de reconfigurabilidade in-situ dentro de uma matriz de metamaterial montada. a) Fotografia da metassuperfície, mostrando a levitação acústica de uma esfera de poliestireno rosa na inserção. Barras de escala, 1 cm. b) (i) Esquema da metassuperfície multicamadas, mostrando a seção dentro da caixa vermelha tracejada em (a). (ii) Fotografia dos estados de meta-tijolo não atuado (A0) e meta-tijolo acionado (A1), mostrando o meta-tijolo destacado dentro da caixa azul tracejada em (i). Barras de escala, 2 mm. c) Esquema da secção transversal de três meta-tijolos. (i) O primeiro meta-tijolo não possui abas. As setas pretas representam a direção de propagação, com uma entrada de 40 kHz vinda de baixo. (ii) O segundo meta-tijolo mostra como as abas estáticas (destacadas em amarelo) formam obstáculos semelhantes a labirintos dentro do canal para aumentar o comprimento geral do caminho para as ondas sonoras que viajam. (iii) Para o terceiro meta-tijolo na caixa laranja tracejada, a aba inferior é substituída por uma aba dinâmica preta. Na inserção, mostra que a aba dinâmica pode se mover para baixo na direção da seta dentro do intervalo de 90 graus delimitado pelas linhas pontilhadas. Crédito:Materiais de Comunicação , doi:https://doi.org/10.1038/s43246-023-00438-4 Os metamateriais acústicos de enrolamento espacial são estáticos e requerem reconfiguração manual para modulação do campo sonoro. Em um novo relatório publicado em Materiais de Comunicação , Christabel Choi e uma equipe de cientistas em ciência da computação e engenharia no Reino Unido e na Itália desenvolveram uma abordagem para reconfiguração ativa com dinâmica autônoma para células unitárias de bobina espacial conhecidas como meta-tijolos dinâmicos.
Os meta-tijolos abrigavam uma aba elastomérica, magnetoreológica e acionável, para funcionar como um interruptor e regular diretamente o ultrassom transmitido. Os cientistas mostraram a sinergia entre a reconfigurabilidade ativa e passiva para desenvolver metamateriais multifuncionais com graus de liberdade adicionais, para design e implementação.
Materiais inteligentes
A era atual dos materiais inteligentes viu o surgimento dos metamateriais para inovar as tecnologias de manipulação de som. Esquemas de reconfiguração exploraram recentemente metamateriais acústicos para aprimorar aplicações complexas de modelagem de ondas, incluindo levitação acústica, camuflagem e imagens holográficas.
Os pesquisadores podem regular estrategicamente a forma física e a composição de uma estrutura sob demanda para permitir maior flexibilidade funcional e implantação. Para obter funcionalidade em tempo real, os cientistas modularam o campo sonoro após a atuação usando um metamaterial acústico transmissivo como plataforma para explorar a sinergia entre a reconfigurabilidade ativa e passiva de uma metassuperfície para obter uma saída modificada.
Engenharia de metamateriais de próxima geração
Neste trabalho, Choi e colegas mostraram que uma metassuperfície não exigia uma natureza totalmente dinâmica para gerar uma saída dinâmica. Convencionalmente, uma metassuperfície ativa pode ser formada a partir de um conjunto completo de células unitárias ativamente reconfiguráveis com um alto grau de complexidade eletrônica e computacional.
Os cientistas combinaram meta-tijolos estáticos e dinâmicos para criar pilhas híbridas de meta-tijolos dentro da metassuperfície. Os pesquisadores facilitaram os meta-tijolos dinâmicos até as bordas das metassuperfícies e os regularam magneticamente para permitir uma modulação sonora precisa por meio de simulações e experimentos. Processo de moldagem para confecção da aba e processo de montagem da aba e meta-tijolo. Crédito:Materiais de Comunicação , doi:https://doi.org/10.1038/s43246-023-00438-4 Até agora, os engenheiros de som só conseguiram levitação acústica com metamateriais estáticos. A capacidade de modular o ultrassom em tempo real tem implicações em vários domínios, incluindo a captação de energia. Aplicações de áudio comercial podem, por exemplo, usar metamateriais para permitir que um feixe estreito de som seja direcionado dinamicamente para locais específicos sob demanda. Este trabalho mostra um método para projetar metamateriais versáteis, ajustáveis, multifuncionais e de próxima geração.
Projetando o meta-tijolo dinâmico
A presença de protuberâncias internas nas paredes laterais de um meta-tijolo pode criar um caminho labiríntico para a passagem das ondas sonoras. Embora os meta-tijolos possam ser dimensionados para funcionar em frequências mais baixas, os flaps podem ser projetados para funcionar na frequência ultrassônica aérea de 40 kHz; adequado para manipulação sem contato e feedback tátil.
Ao usar um elastômero magnetoreológico, a equipe evitou mecanismos convencionais em forma de dobradiça devido à grande quantidade de atrito associado, para alcançar um ângulo de deflexão máximo para o meta-tijolo. A oscilação binária ativa facilitou o caminho dentro do meta-tijolo para formar um labirinto modificável para transferir ondas acústicas em tempo real.
Fabricando um meta-tijolo dinâmico
Choi e colegas desenvolveram um meta-tijolo dinâmico onde os componentes externos se referiam à casca do meta-tijolo e os componentes internos se referiam a abas estáticas e dinâmicas de diferentes comprimentos. A equipe desenvolveu a casca de metatijolo junto com as abas estáticas e dinâmicas por meio de impressão tridimensional e métodos de moldagem.
Para a moldagem, os cientistas dos materiais utilizaram placas de vidro planas, desenvolvidas a partir de nanopartículas magnéticas sintéticas misturadas com Ecoflex e moldadas em moldes impressos em 3D. Uma ilustração de pilhas de meta-tijolos e as respectivas camadas na metassuperfície. a) Fotografia de camadas de metassuperfície empilhadas e inserção mostrando (i) pilhas de meta-tijolos "estáticas" e (ii) "híbridas dinâmicas". Barra de escala, 1 cm. b) Mapas 3D para camadas metassuperficiais superiores e inferiores. O mapa da 'camada superior' mostra os meta-tijolos dinâmicos (roxo) localizados ao longo da borda da metassuperfície. O mapa da 'camada inferior' totalmente estático mostra as identificações (ID) dos meta-tijolos (com base em um conjunto de 16 meta-tijolos estáticos) e as localizações correspondentes dos meta-tijolos estáticos montados. Crédito:Materiais de Comunicação , doi:https://doi.org/10.1038/s43246-023-00438-4 Eles colocaram os moldes sobre um ímã durante o processo de cura e usaram uma combinação de lavagem e imersão em temperatura elevada para remover os inibidores de polimerização. A equipe moldou cada aba com espessura consistente e coeficiente de variação.
Depois de montar o meta-tijolo dinâmico, eles o acionaram com um ímã permanente. Após a atuação, a aba moveu-se rapidamente em direção à parede. Na presença do campo magnético, o flap permaneceu sustentado e estável, enquanto quando não acionado pelo ímã, o flap permaneceu em seu estado original.
Modulação ultrassônica binária, meta-tijolos e metassuperfícies
A equipe conduziu simulações e gráficos experimentais para mostrar como os estados de atuação combinados afetaram a transmissão em uma pequena matriz dinâmica; os resultados foram de boa concordância. Embora cada meta-tijolo permitisse uma mudança de fase específica, os meta-tijolos fisicamente combinados em uma metassuperfície formaram uma mudança de fase combinada como uma saída acústica coletiva.
Os pesquisadores obtiveram um campo sonoro de saída desejado predefinindo os valores de fase para determinar o tipo de meta-tijolo necessário para avaliar seu posicionamento em relação ao outro.
Ao incluir um pequeno número de meta-tijolos dinâmicos acionados localmente, eles fizeram uma meta-superfície global estática funcionar dinamicamente. Inicialmente, eles regularam a aba magnética dentro do meta-tijolo dinâmico e depois avaliaram os meta-tijolos dentro de uma metassuperfície por meio de empilhamento. Enquanto as pilhas estáticas foram formadas devido à colocação de um meta-tijolo estático no topo de outra estrutura semelhante, as pilhas dinâmicas combinaram os dois para criar uma supercélula vertical. a) Cada transdutor t contribui para a complexa pressão incidente na parte inferior do AMM. b) A pilha de metassuperfícies dinâmicas concentra-se em dois pontos diferentes quando os meta-tijolos dinâmicos são acionados e não acionados, respectivamente. c) Criamos uma pilha de metassuperfícies estáticas e dinâmicas para gerar os dois pontos focais. Observe que os pontos focais não estão desenhados em escala nos esquemas. d) Calculamos a média dos tijolos centrais, pois estes devem permanecer estáticos. e) Para os tijolos de borda, analisamos tijolo por tijolo para determinar se uma pilha totalmente estática ou uma pilha híbrida estática-dinâmica é mais adequada neste local específico. f) Adicionamos π à metade da metassuperfície para transformar nosso foco em um compartimento gêmeo. g) Saída do algoritmo. Crédito:Materiais de Comunicação , doi:https://doi.org/10.1038/s43246-023-00438-4 Levitação acústica dinâmica
Cho e colegas conduziram medições de pressão ativando e desativando as metassuperfícies para visualizar a modulação em tempo real do campo sonoro. Eles desenvolveram metassuperfícies duplas compostas empilhadas para demonstrar e conter os feixes focados. O equilíbrio da pressão acústica dentro dessas contenções poderia apertar os objetos em regiões de baixa pressão acústica.
Para validação experimental, a equipe de pesquisa deslocou uma esfera leve de poliestireno entre os compartimentos gêmeos. Após a atuação, o cordão não caiu, para indicar como a modulação acelerada do campo sonoro poderia manter a levitação acústica.
Perspectiva
Desta forma, Christabel Choi e sua equipe introduziram meta-tijolos dinâmicos como um paradigma para projetar metamateriais acústicos dinâmicos que surgiram na vanguarda da inovação em tecnologias de manipulação de som. Os cientistas de materiais exploraram intensamente o nicho para aprimorar aplicações complexas de modelagem de ondas, incluindo levitação acústica, camuflagem, direção de feixe e imagens holográficas.
Ao incluir uma pequena aba magnética dinâmica, os cientistas transformaram um meta-tijolo estático em uma construção dinâmica e combinaram os dois para produzir mais de uma saída como uma metassuperfície dinâmica. Os resultados podem abrir caminho para designs mais sofisticados.
A equipe explorou os resultados experimentais com um modelo teórico e por meio de simulações do COMSOL Multiphysics para mostrar sua excelente concordância. Tais atuadores podem ser funcionalizados, padronizados ou revestidos para fornecer funcionalidades adicionais para sistemas fluídicos e válvulas. Essas abordagens interdisciplinares podem abrir caminho para o desenvolvimento da próxima geração de metamateriais.
