Mac Murray, Konnektikut Universiteti tərəfindən

Lisa Lock tərəfindən redaktə edilmiş , Robert Eqan tərəfindən nəzərdən keçirilmişdir

 Redaktorların qeydləriProf. Usamə Bilalın laboratoriyası tərəfindən hazırlanmış metamaterialın bədii təsviri. Kredit: Melanie Keogh

Mühəndis köməkçisi professor Osama R. Bilalın rəhbərlik etdiyi Extreme və Ağıllı Materiallar üçün Dalğa Mühəndisliyi (We-Xite) laboratoriyası, demək olar ki, sonsuz mümkün formalarla real vaxt rejimində tənzimləməni kodlaşdırarkən səs dalğalarını idarə edə bilən, onları əyərək, nəmləndirə və ya fokuslaya bilən yenidən konfiqurasiya edilə bilən metamaterial hazırlayıb.

Onların işləri indi Milli Elmlər Akademiyasının Materialları jurnalında dərc olunub .

“Metamateriallar təbiətdə asanlıqla tapılmayan fövqəladə xüsusiyyətlərə nail ola bilən süni materiallardır” deyə Ph.D. namizəd Melanie Keogh ’22 (ENG), tədqiqatın ilk müəllifi. Bu vəziyyətdə, tədqiqat qrupu həm tezlik, həm də funksiya baxımından tənzimlənə bilən, tibbi görüntüləmədən səs izolyasiyasına qədər potensial tətbiqlərlə səs dalğalarını idarə edə bilən bir material hazırlamaq istədi.

Metamaterial bir və ya daha çox içbükey üzü olan asimmetrik sütunlardan ibarətdir – bir növ alma nüvəsi şəklindədir. Bu sütunlar 11×11 ölçülü şəbəkədə yerləşdirilib, mühərriklər hər bir sütunun istiqamətini idarə edir. Mühərriklər incə tənzimlənir, oriyentasiyanı bir dərəcə fırlanma artımları ilə idarə etməyə imkan verir.

Səs dalğaları, material vasitəsilə şüalandıqda, sütunların boşluqlarından sıçrayır. Və hər bir sütun fərdi olaraq tənzimlənə bildiyi üçün, səs dalğalarının şəbəkədən keçməsi üçün yaradıla bilən demək olar ki, sonsuz sayda potensial yollar var.

Bu o deməkdir ki, material səs dalğalarının tək bir nöqtəyə şüalanaraq təsirini gücləndirmək üçün istifadə edilə bilər. Bu cür tətbiqlər akustik cımbızlarda, ultrasəs kimi tibbi təsvir üsullarında və ya hədəflənmiş terapevtik üsullarda çox faydalıdır.

Potensial tətbiqlər və elmi təsir

“Təsəvvür edin ki, beyin şişi kimi bir şey var – məhv etmək istədiyiniz bir şey, lakin eyni zamanda, ora neştərlə girə bilməzsiniz. Başlanğıcda çox yüksək intensivlikli səslə ora girə bilməzsiniz”, – Bilal izah edir. “Beləliklə, yalnız bir nöqtəyə fokuslanacaq və ondan sonra dağılacaq çox aşağı amplitudalı dalğalara sahib olmalısınız. Bu yolla siz bir şişi zəiflədə, böyrək daşına hücum edə, ya da insan bədənindəki kiçik hissəcikləri manipulyasiya edə bilərsiniz ki, onlara həqiqətən daxil ola bilməzsiniz – lakin səs dalğaları edə bilər.”

Əksinə, hazırlanmış metamaterial dalğalar fizikasında fundamental anlayışların öyrənilməsi üçün platforma kimi də istifadə edilə bilər . Bir nümunə topoloji izolyatorlar və ya elektrik cərəyanını öz sərhədləri boyunca keçirə bilən, lakin öz nüvələri vasitəsilə keçirə bilən materiallardır – bir neçə il əvvəl Fizika üzrə Nobel Mükafatını almış bir konsepsiya. Tədqiqat qrupu öz metamateriallarından səsi eyni şəkildə idarə etmək üçün istifadə etdi, yəni səs dalğaları materialın içərisinə nüfuz etmədən kənarda hərəkət etməyə yönəldilə bilər.Oyna

00:00

00:07SəssizParametrlərPIPTam ekrana daxil olun

Başqa bir araşdırmada komanda hərəkət edən cisimlər üzərində sürtünmə qüvvələrini azaltmaq, enerji və yanacaq sərfiyyatını azaltmaq üçün metamateriallardan istifadə edir.

“Bu, bizim sahəmiz üçün böyük bir məsələdir, çünki adətən materialınızı tənzimləyə biləcəyiniz bir neçə sabit vəziyyətə sahib ola bilərsiniz, lakin bu, bizə kainatdakı atomların sayından daha çox konfiqurasiya verir” dedi Bilal. “Bu, cəmiyyətimiz üçün nə qədər əhəmiyyətlidir.”

Dizayn yenilikləri və yenidən konfiqurasiya

Keogh izah edir ki, tədqiqat qrupu tək-tək sütunları çevirmək üçün dişli çarxlardan və ya mühərriklərdən istifadə etmək fikrini davamlı mühəndislik problemini həll etmək istədikləri üçün alıb: “Ənənəvi olaraq, metamateriallar sabitdir, yəni istehsal edildikdən sonra formasını dəyişə bilməzlər.” Səs manipulyasiya edən metamaterial üçün bu o demək olardı ki, o, yalnız müəyyən tezlik diapazonunu idarə etmək üçün “tənzimlənə bilər” – çox yönlü deyil. Sabit bir metamaterial hətta müntəzəm aşınma və yıpranma nəticəsində zədələnərsə, tamamilə təsirsiz ola bilər.

Bunun əksinə olaraq, bu metamaterial “bütün materialı yenidən istehsal etmədən onu yenidən istiqamətləndirməyə və ya “tənzimləməyə” imkan verir” deyir Keogh.

Mühərriklər elektron şəkildə idarə oluna bildiyi üçün, yenidən istehsala müraciət etmək əvəzinə, materialı real vaxt rejimində proqramlaşdırmağı asanlaşdırır.

“Bu sənəddə unikal olan əlavə bir şey kombinator aspektidir” deyən Keogh metamaterialın təsirlərinin sütunların bir-biri ilə kombinasiyası ilə daha da idarə oluna biləcəyini nümayiş etdirir. Birlikdə hərəkət edən iki, dörd və ya daha çox sütun “supercell” təşkil edir və bu, mühəndislərə daha çox dəyişənlər təklif edir.

“Biz bu platforma ilə çoxlu oyun oynaya bilərik” deyir Bilal. “Asimmetriya ilə birləşən super hüceyrələr bizə dizayn məkanını daha da genişləndirməyə kömək edir. Bu, metamaterialları tənzimləmək üçün çox yönlü yanaşmadır.”Oyna

00:13

00:13SəssizParametrlərPIPTam ekrana daxil olun

Çağırışlar və gələcək istiqamətlər

Dizayn sahəsinin böyük əhatə dairəsi çətinliklər yaradır – sütunların çoxlu potensial konfiqurasiyaları ilə hər birinin səs dalğalarına necə təsir edəcəyini əl ilə hesablamaq mümkün olmazdı. Keog zarafat edir ki, o, işə indi başlasaydı, nəvələri hələ də hesablamalar üzərində işləyəcəklər.

Bilal sualı belə qoyur: “Əgər kainatdakı atomların sayına görə naviqasiya etməlisinizsə, hansını seçərsiniz?”

Tədqiqat qrupu materialın müxtəlif konfiqurasiyalarda səsi necə yayacağını anlamaq üçün süni intellekt alqoritmlərinə və evristikaya müraciət edir. “Son məqsəd, maşın öyrənməsi vasitəsilə performansını optimallaşdırmaq qabiliyyətinə və zəkasına malik tam avtonom material olacaq” dedi Bilal. “Bu material platforması bizi ekstremal və ağıllı materiallar vasitəsilə dalğa mühəndisliyi ilə bağlı laboratoriya baxışımıza çatmaq üçün bir addım daha yaxınlaşdırır.”

İllərdir davam edən bir səyahət

Keogh və Bilalın əməkdaşlıq səyahəti Keogh bakalavr ikən Bilalın vibrasiya kursunu aldığı zaman başladı. O, Bilalın “Biz-Xite” laboratoriyasında tədqiqat aparmağa başladı, professor yoldaşı tərəfindən yüksək tövsiyə olundu.

Keogh deyir ki, o, məzun olduqdan sonra əvvəlcə sənayeyə getməyə maraqlı idi. Lakin onun bakalavr tədqiqat təcrübəsi zamanı o anladı ki, laboratoriyada işləmək çox vaxt sənayedə tətbiq olunan həllərdən “illər qabaqdadır”.

“Mən qabaqcıl olmağı xoşlayıram” deyir.

Bilal deyir: “Artıq uzun illərdir ki, laboratoriyamızda materialları müəyyən funksiyaya malik olmaq üçün proqramlaşdırmağa çalışırıq, lakin biz həmişə əldə edə biləcəyimiz imkanların sayı ilə məhdudlaşmışıq”. “Mən Melanie ilə bu layihəyə başlayanda ona dedim ki, bizim idarə edə biləcəyimiz mühərriklərin sayında məhdudiyyət var. Nə baş verdi, Melanie, elektronika ilə çox yaxşı tanış oldu … O, sadəcə laboratoriyada oturdu və bu platforma üçün bütün sxemləri qurdu. Bu, çox böyük bir layihədir – sütunları çox spesifik bir şəkildə yığmaq lazımdır, onlara ən gözəl şəkildə, çox dəqiq şəkildə nəzarət etmək lazımdır. düşünə bilərsən.”

“Mənim fikrimcə, UConn-un əsas məqsədi budur” dedi. “Gənc mühəndisləri yetişdirmək və peşəkar, dünya səviyyəli alimlər kimi yetişdirmək professor olmağın ən faydalı tərəflərindən biridir”.

Daha çox məlumat: Melanie R. Keogh et al, Real-time programmability ilə kombinatorial asimmetrik akustik metamateriallar, Milli Elmlər Akademiyasının Materialları (2025). DOI: 10.1073/pnas.2502036122

Jurnal məlumatı: Milli Elmlər Akademiyasının Materialları Konnektikut Universiteti tərəfindən təmin edilmişdir