Siatka sterowanych filarów, czyli jak to działa
Konstrukcja materiału opiera się na siatce 11×11 asymetrycznych filarów. Każdy ze 121 elementów posiada charakterystyczny kształt przypominający rdzeń jabłka po usunięciu pestek. Co kluczowe, każdy filar jest indywidualnie sterowany za pomocą silnika, który umożliwia obrót z dokładnością do jednego stopnia. Ta niezwykła precyzja kontroli przekłada się na praktycznie nieograniczone możliwości konfiguracji. Osama R. Bilal, kierujący laboratorium We-Xite, tak komentuje skalę tego osiągnięcia:
To jest wielka sprawa dla naszej dziedziny, ponieważ zazwyczaj możesz mieć garstkę stabilnych stanów, do których możesz dostroić swój materiał, ale ten tutaj daje nam więcej konfiguracji niż liczba atomów we wszechświecie
Czytaj też: Struktura, która łamie prawa fizyki. Naukowcy stworzyli materiał zmieniający się w czasie
Naukowcy wprowadzili także koncepcję superkomórek, pozwalającą na grupowanie dwóch, czterech lub więcej elementów działających synchronicznie. To rozwiązanie dodatkowo poszerza przestrzeń projektową i możliwości dostrajania właściwości akustycznych materiału. Szczególnie obiecujące wydają się zastosowania w dziedzinie medycyny. Materiał umożliwia precyzyjne skupianie fal dźwiękowych o niskiej amplitudzie w określonym punkcie, a następnie ich rozpraszanie.
Wyobraź sobie coś takiego jak guz mózgu – coś, co chcesz zniszczyć, ale jednocześnie nie możesz tam wejść skalpelem. Na początku nie możesz nawet użyć bardzo intensywnego dźwięku. Musisz więc mieć fale o bardzo niskiej amplitudzie, które będą skupiać się tylko w jednym punkcie, a potem się rozproszą – dodaje Bilal
Technologia może znaleźć zastosowanie w nieinwazyjnym osłabianiu guzów, rozbijaniu kamieni nerkowych czy manipulowaniu drobnymi cząstkami w organizmie. To zadania, które obecnymi metodami często stanowią wyzwanie lub są wręcz niemożliwe do wykonania. Materiał może również usprawnić techniki obrazowania medycznego, w tym ultradźwięki i pęsety akustyczne. Poza obszarem medycyny, potencjalne zastosowania obejmują zaawansowaną izolację akustyczną oraz redukcję oporów aerodynamicznych w transporcie. To ostatnie mogłoby przełożyć się na realne oszczędności energetyczne.
Rola sztucznej inteligencji: nawigacja w przestrzeni możliwości
Ogromna liczba dostępnych konfiguracji rodzi jednak praktyczny problem: jak wybrać optymalne ustawienie spośród niemal nieskończonej liczby opcji? Zespół badawczy sięga po algorytmy sztucznej inteligencji i metody heurystyczne, które pomagają przewidzieć sposób propagacji dźwięku w różnych konfiguracjach. Długoterminowy cel jest jeszcze bardziej ambitny. Naukowcy pracują nad stworzeniem w pełni autonomicznego materiału, który samodzielnie optymalizowałby swoje działanie poprzez uczenie maszynowe. Taki system mógłby dynamicznie dostosowywać konfigurację do zmieniających się warunków i specyficznych zadań.
Czytaj też: Światło z materiału który nie przewodzi prądu. Ten wynalazek łamie podstawowe zasady elektroniki
Badanie, opublikowane w Proceedings of the National Academy of Sciences, jest owocem współpracy akademickiej, a programowalne metamateriały akustyczne reprezentują wczesny etap rozwoju technologii kontroli fal dźwiękowych. Połączenie mechanicznej precyzji, elektronicznego sterowania i inteligentnych algorytmów tworzy fundament dla zastosowań, które jeszcze niedawno wydawały się odległą przyszłością.