por Thamarasee Jeewandara, Phys.org
Los metamateriales acústicos de bobinado espacial son estáticos y requieren reconfiguración manual para la modulación del campo sonoro. publicado en Materiales de comunicación, Christabel Choi, y un equipo de científicos en informática e ingeniería en el Reino Unido e Italia, desarrollaron un enfoque para la reconfiguración activa con dinámica autónoma para bobina espacial celdas unitarias conocidas como meta-ladrillos dinámicos.
Los meta-ladrillos albergaban una aleta elastomérica magnetorreológica accionable, para funcionar como interruptor y regular directamente el ultrasonido transmitido. Los científicos mostraron la sinergia entre la reconfigurabilidad activa y pasiva para desarrollar metamateriales multifuncionales para diseño e implementación con grados adicionales de libertad.
Materiales inteligentes
La era actual de materiales inteligentes ha visto el surgimiento de metamateriales para innovar las tecnologías de manipulación del sonido. Los esquemas de reconfiguración han explorado recientemente metamateriales acústicos para mejorar las aplicaciones complejas de modelado de ondas, incluyendo levitación acústica, camuflaje, y imágenes holográficas.
Los investigadores pueden regular estratégicamente la forma física y la composición de una estructura a demanda para permitir mayor flexibilidad funcional y despliegue. Para lograr funcionalidad en tiempo real, los científicos modularon el campo sonoro al actuarlo usando un metamaterial acústico transmisivo como plataforma para explorar la sinergia entre la reconfigurabilidad activa y pasiva de una metasuperficie para lograr una salida modificada.
Diseño de metamateriales de próxima generación
En este trabajo, Choi y colegas mostraron que una metasuperficie no requería una naturaleza totalmente dinámica para generar una salida dinámica. Convencionalmente, una metasuperficie activa puede formarse a partir de un arreglo completo de celdas unitarias activamente reconfigurables con un alto grado de electrónica y complejidad computacional.
Los científicos combinaron meta-ladrillos estáticos y dinámicos para crear pilas híbridas de meta-ladrillos dentro de la metasuperficie. Los investigadores facilitaron los meta-ladrillos dinámicos a los bordes de las metasuperficies y los regularon magnéticamente para permitir una modulación acústica precisa mediante simulaciones y experimentos.
Los ingenieros de sonido hasta ahora solo han logrado la levitación acústica con metamateriales estáticos. La capacidad de mod…
Diseño del meta-ladrillo dinámico
La presencia de protuberancias internas de los muros laterales en un meta-ladrillo puede crear una vía laberíntica para que las ondas sonoras viajen. Mientras los meta-ladrillos pueden escalarse para trabajar en frecuencias más bajas, las aletas pueden diseñarse para funcionar a frecuencia ultrasónica aérea de 40 kHz; adecuadas para manipulación sin contacto y… retroalimentación háptica.
Al usar un elastómero magnetorreológico, el equipo evitó los mecanismos convencionales tipo bisagra debido a la alta fricción asociada, para lograr un ángulo máximo de deflexión del meta-ladrillo. El aleteo binario activo facilitó la trayectoria dentro del meta-ladrillo para formar un laberinto modificable que transfiere ondas acústicas en tiempo real.
Fabricación de un meta-ladrillo dinámico
Choi y colegas desarrollaron un meta-ladrillo dinámico donde los componentes externos se referían a la carcasa del meta-ladrillo, y los componentes internos a las aletas estáticas y dinámicas de diferentes longitudes. El equipo desarrolló la carcasa del meta-ladrillo junto con las aletas estáticas y dinámicas mediante métodos de impresión y moldeado tridimensionales.
Para el moldeado, los científicos de materiales usaron placas de vidrio planas, desarrolladas con nanopartículas magnéticas sintéticas mezcladas con Ecoflex y fundidos dentro de moldes impresos en 3D.
Colocaron los moldes sobre un imán durante el proceso de curado y usaron una combinación de lavado y remojo a temperatura elevada para eliminar los inhibidores de polimerización. El equipo moldeó cada aleta con un espesor consistente y un coeficiente de variación.
Después de ensamblar el meta-ladrillo dinámico, lo actuaron con un imán permanente. Al actuarlo, la aleta se movió rápidamente hacia la pared. En presencia del campo magnético, la aleta se mantuvo estable, mientras que sin actuar con el imán, la aleta permaneció en su estado original.
Modulación ultrasónica binaria, meta-ladrillos y metasuperficies
El equipo realizó simulaciones y gráficos experimentales para mostrar cómo los estados de actuación combinados afectaron la transmisión en un pequeño arreglo dinámico; los resultados concordaron bien. Mientras cada meta-ladrillo permitía un cambio de fase específico, los meta-ladrillos físicamente combinados en una metasuperficie formaban un cambio de fase combinado como salida acústica colectiva.
Los investigadores obtuvieron un campo sonoro de salida deseado predefiniendo los valores de fase para determinar el tipo de meta-ladrillo requerido para evaluar su ubicación relativa entre sí.
Al incluir una pequeña cantidad de meta-ladrillos dinámicos actuados localmente, hicieron que una metasuperficie global estática funcionara dinámicamente. Al principio, regularon la aleta magnética dentro del meta-ladrillo dinámico y luego evaluaron los meta-ladrillos dentro de una metasuperficie mediante apilamiento. Mientras las pilas estáticas se formaron colocando un meta-ladrillo estático sobre otra estructura similar, las pilas dinámicas combinaron ambas para crear una supercelda vertical.
Levitación acústica dinámica
Cho y colegas realizaron mediciones de presión actuando y desactivando las metasuperficies para visualizar la modulación en tiempo real del campo sonoro. Idearon metasuperficies apiladas compuestas gemelas para demostrar y contener los haces enfocados. El equilibrio de la presión acústica dentro de estos contenedores podría atrapar objetos en regiones de baja presión acústica.
Para la validación experimental, el equipo de investigación movió una cuenta liviana de poliestireno entre los compartimentos gemelos. Al actuarlo, la cuenta no cayó, para indicar cómo la modulación acelerada del campo sonoro podía mantener la levitación acústica.
Perspectiva
De esta manera, Christabel Choi y su equipo introdujeron meta- dinámicosladrillos como paradigma para diseñar metamateriales acústicos dinámicos que han emergido a la vanguardia de la innovación en tecnologías de manipulación del sonido. Los científicos de materiales han explorado intensamente el nicho para mejorar las aplicaciones complejas de modelado de ondas, incluyendo la levitación acústica, el camuflaje, dirección de haz, y imágenes holográficas.
Al incluir una pequeña aleta magnética dinámica, los científicos transformaron un meta-ladrillo estático en una construcción dinámica, y combinaron ambas para producir más de una salida como un dinámico metasuperficie. Los resultados pueden abrir el camino a diseños más sofisticados.
El equipo exploró los resultados experimentales con un modelo teórico y mediante simulaciones COMSOL Multiphysics para mostrar su excelente concordancia. Tales actuadores pueden funcionalizarse, modelarse o recubrirse para proporcionar funcionalidades adicionales para sistemas fluídicos y válvulas. Estos enfoques interdisciplinarios pueden allanar el camino para desarrollar la próxima generación de metamateriales.