Los metamateriales acústicos que se enrollan en el espacio son estáticos y requieren una reconfiguración manual para la modulación del campo sonoro. En un nuevo informe 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 independiente de celdas unitarias de bobina espacial conocidas como metaladrillos dinámicos.
Los meta-ladrillos albergaban una aleta elastomérica magnetorreológica accionable, que funcionaba como un interruptor y regulaba directamente el ultrasonido transmitido. Los científicos demostraron la sinergia entre la reconfigurabilidad activa y pasiva para desarrollar metamateriales multifuncionales con grados adicionales de libertad, para el diseño y la implementación.
La era actual de los materiales inteligentes ha visto el surgimiento de los metamateriales para innovar en tecnologías de manipulación del sonido. Los esquemas de reconfiguración han explorado recientemente metamateriales acústicos para mejorar aplicaciones complejas de formación de ondas, incluida la levitación acústica, el encubrimiento y las imágenes holográficas.
Los investigadores pueden regular estratégicamente la forma física y la composición de una estructura según sea necesario para permitir una mayor flexibilidad y despliegue funcional. Para lograr funcionalidad en tiempo real, los científicos modularon el campo sonoro tras la activación utilizando un metamaterial acústico transmisivo como plataforma para explorar la sinergia entre la reconfigurabilidad activa y pasiva de una metasuperficie para lograr una salida modificada.
En este trabajo, Choi y sus colegas demostraron que una metasuperficie no requería una naturaleza completamente dinámica para generar una salida dinámica. Convencionalmente, se puede formar una metasuperficie activa a partir de una gama completa de celdas unitarias activamente reconfigurables con un alto grado de complejidad electrónica y computacional.
Los científicos combinaron metaladrillos estáticos y dinámicos para crear pilas de metaladrillos híbridos dentro de la metasuperficie. Los investigadores colocaron los metaladrillos dinámicos en los bordes de las metasuperficies y los regularon magnéticamente para permitir una modulación precisa del sonido mediante simulaciones y experimentos.
Hasta ahora, los ingenieros de sonido sólo han logrado la levitación acústica con metamateriales estáticos. La capacidad de modular el ultrasonido en tiempo real tiene implicaciones en una variedad de dominios, incluida la recolección de energía. Las aplicaciones de audio comerciales pueden, por ejemplo, utilizar metamateriales para permitir que un haz estrecho de sonido se dirija dinámicamente a ubicaciones específicas según demanda. Este trabajo muestra un método para diseñar metamateriales versátiles, ajustables, multifuncionales y de próxima generación.
La presencia de protuberancias internas en las paredes laterales de un metaladrillo puede crear un camino laberíntico por el que viajan las ondas sonoras. Si bien los metaladrillos se pueden escalar para funcionar a frecuencias más bajas, las aletas se pueden diseñar para funcionar a una frecuencia ultrasónica aérea de 40 kHz; adecuado para manipulación sin contacto y retroalimentación háptica.
Al utilizar un elastómero magnetorreológico, el equipo evitó los mecanismos convencionales tipo bisagra debido a la gran fricción asociada, para lograr un ángulo de deflexión máximo para el metaladrillo. El aleteo binario activo facilitó el camino dentro del metaladrillo para formar un laberinto modificable para transferir ondas acústicas en tiempo real.
Choi y sus colegas desarrollaron un metaladrillo dinámico donde los componentes externos se referían a la carcasa del metaladrillo y los componentes internos se referían a aletas estáticas y dinámicas de diferentes longitudes. El equipo desarrolló la carcasa del metaladrillo junto con las aletas estáticas y dinámicas mediante métodos de moldeo e impresión tridimensional.
Para el moldeo, los científicos de materiales utilizaron placas de vidrio planas, desarrolladas utilizando nanopartículas magnéticas sintéticas mezcladas con Ecoflex y fundidas en moldes impresos en 3D.
Colocaron los moldes sobre un imán durante el proceso de curado y utilizaron una combinación de lavado y remojo a temperatura elevada para eliminar los inhibidores de la polimerización. El equipo moldeó cada solapa con un grosor constante y un coeficiente de variación.
Después de ensamblar el metaladrillo dinámico, lo accionaron con un imán permanente. Tras su activación, la trampilla se movió rápidamente hacia la pared. En presencia del campo magnético, el colgajo se mantuvo sostenido y estable, mientras que cuando no se accionaba con un imán, el colgajo permanecía en su estado original.
El equipo realizó simulaciones y gráficos experimentales para mostrar cómo los estados de actuación combinados afectaban la transmisión en una pequeña matriz dinámica; los resultados coincidieron bastante. Si bien cada meta-ladrillo permitía un cambio de fase específico, los meta-ladrillos físicamente combinados en una metasuperficie formaban un cambio de fase combinado como una salida acústica colectiva.
Los investigadores obtuvieron el campo sonoro de salida deseado predefiniendo los valores de fase para determinar el tipo de metaladrillo necesario para evaluar su ubicación entre sí.
Al incluir una pequeña cantidad de meta-ladrillos dinámicos accionados localmente, hicieron que una metasuperficie global que de otro modo sería estática funcionara dinámicamente. Al principio, regularon la aleta magnética dentro del metaladrillo dinámico y luego evaluaron los metaladrillos dentro de una metasuperficie mediante apilamiento. Mientras que las pilas estáticas se formaron colocando un metaladrillo estático encima de otra estructura similar, las pilas dinámicas combinaron las dos para crear una supercélula vertical.
Levitación acústica dinámica
Cho y sus colegas realizaron mediciones de presión activando 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 confinamientos podría pinzar los objetos en regiones de baja presión acústica.
Para la validación experimental, el equipo de investigación desplazó una ligera perla de poliestireno entre los compartimentos gemelos. Tras su activación, la cuenta no cayó, para indicar cómo la modulación rápida del campo sonoro podría mantener la levitación acústica.
De esta manera, Christabel Choi y su equipo introdujeron los metaladrillos dinámicos como paradigma para diseñar metamateriales acústicos dinámicos que han surgido a la vanguardia de la innovación en tecnologías de manipulación del sonido. Los científicos de materiales han explorado intensamente este nicho para mejorar aplicaciones complejas de formación de ondas, incluida la levitación acústica, el encubrimiento, la dirección del haz y las imágenes holográficas.
Al incluir una pequeña aleta magnética dinámica, los científicos transformaron un metaladrillo estático en una construcción dinámica y combinaron los dos para producir más de una salida como una metasuperficie dinámica. Los resultados pueden allanar el camino para diseños más sofisticados.
El equipo exploró los resultados experimentales con un modelo teórico y mediante simulaciones COMSOL Multiphysics para demostrar su excelente acuerdo. Dichos actuadores pueden funcionalizarse, diseñarse o recubrirse para proporcionar funcionalidades adicionales para válvulas y sistemas fluídicos. Estos enfoques interdisciplinarios pueden allanar el camino para desarrollar la próxima generación de metamateriales.
Más información: Christabel Choi et al, Un metamaterial ultrasónico transmisivo laberíntico dinámico accionado magnéticamente, Materiales de comunicaciones (2024). DOI:10.1038/s43246-023-00438-4
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