image: 用于振动集中的柔性DHEM。(a) DHEM示意图 (b) 传统声学黑洞示意图。主体由抛物线和相切的直线组成，但实际制造出的声学黑洞有明显的截断(c) 制备的柔性DHEM实际样品照片 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
自然界包括自然环境，生物，以及机器中蕴含了丰富的振动。这些振动具有宽广频率范围，是一种随时随地可用的绿色能量来源。近些年发展起来的基于压电和摩擦纳米发电机的微型换能器可以把这种无处不在的振动转换为电能，从而使为可穿戴消费电子产品、人体内植入的电子设备、物联网终端、以及严苛环境下的无人探测器等实时充电成为可能。然而目前的手段还无法充分利用这样分散的振动，尤其是涉及到较为高频的部分(~101至~103 Hz)。主要由于自然界中的振动虽然无处不在但较为分散，局部振动相对较弱。同时现有的微型换能器的能量利用效率还有待进一步提高，并且自然界中的振动源通常都具有柔软的表面或者不规则的外形。因此，开发一种的可变形贴合的无源柔性器件在宽频范围聚集振动就显得十分有必要。
最近，华中科技大学臧剑锋教授研究团队（唐瀚川，郝卓群，刘盈，田野，牛浩，臧剑锋）在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）发表研究论文，提出了利用无序超均匀图案分布构建内部声子带隙反射界面来逼近理论上的完美声学黑洞的方法，设计出了柔性的无序超均匀弹性超构材料(Disordered Hyperuniform Elastic Metamaterials，DHEM)，在宽频范围内拥有约4000倍的振动聚集增强效果。
声学黑洞通常是一段拥有着幂函数边缘曲线的楔子形状结构。理论上，当入射弹性波传播到楔形声学黑洞的尖端处时，其群速度会逐渐下降为0；与此同时，弹性波的振幅将会变为无限大并且所有能量都不会被反射而是被约束在尖端处。然而由于实际生产加工过程导致楔子尖端必然有一个截断，这样的截断就会大大减弱声学黑洞效应，造成弹性波的反射传统的声学黑洞。
柔性无序超均匀弹性超构材料的设计则是将刚性圆柱按照优化好的特殊无序分布（无序超均匀，可以具备通常认为周期性结构才有的带隙）插在软材料基体内部，并且圆柱的排列分布具有幂函数（这里是抛物线）的边缘。当处于带隙频率范围内的弹性波从一边入射时，插入了圆柱的部分充当着反射体的角色（对比传统声学黑洞是由于两种不同介质的界面产生反射）。而此时圆柱构成的平滑的抛物线反射边缘恰恰近似于完美的声学黑洞条件，弹性波会很好地聚集在超构材料虚拟的尖端位置（图一）。柔性无序超均匀弹性超构材料在一定程度变形条件下仍能保持良好的振动集中效果。
柔性无序超均匀弹性超构材料的设计和实现拓宽了超材料的具体应用场景，进一步为高效利用自然界中的振动能量以及增强微弱震动的感知奠定了坚实的基础。此项工作得到国家科技部重点研发专项、国家自然科学基金委面上项目的支持。
文章信息：
Soft and Disordered Hyperuniform Elastic Metamaterials for Highly Efficient Vibration Concentration
https://doi.org/10.1093/nsr/nwab133
Journal
National Science Review