文章来源：21dB声学人
来自浙江大学机械工程学院与化学与生物工程学院的研究团队，联合华南理工大学与新加坡南洋理工大学，近期在 Nature Communications 发表论文，报道了一种“可重构动态声全息系统”。
研究提出了一种兼具声透明性与可编程特性的半结晶聚合物材料，并将其与分区压电换能器（PZT）集成，实现了在高空间分辨率和极高刷新率下对声场进行动态控制的技术路线。
图1 基于可编程半结晶聚合物膜与分区压电换能器（PZT）的可重构动态声全息实现流程。展示整个动态声全息系统的核心工作流程，包括 “激光写入聚合物相位图案→PZT 电调控幅度→生成动态声场” 三个关键步骤。
声波可穿透多种材料并在远距离传递能量，因此在声镊、生物医学治疗、神经刺激等领域具有广泛应用。然而，要实现这些功能，必须能在空间上精确塑造声场分布。
传统声学超材料主要依赖结构或复合设计来调整介质的密度或模量，但要实现动态控制极为困难；机械或磁性控制方式虽可改变声场，但像素尺寸大、分辨率低。另一类相控阵系统能动态调节声波相位，却受到硬件通道数限制，分辨率通常不超过10像素/cm²。高分辨的3D打印声全息元件虽能形成复杂声场，但只能生成静态图案，无法实时刷新。
研究团队的目标是：找到一种既能实现高空间分辨率，又可快速重写的“声学可编程介质”，同时保持声波透射不受显著损耗。
材料设计与基本原理
团队选择了具有可逆结晶特性的聚己内酯（poly(ε-caprolactone)，PCL）作为基础材料。该聚合物在加热熔融与冷却结晶之间，其力学模量可在较大范围内可逆变化。研究人员在其中加入少量光热染料（Sudan Black），使其能够被红外激光局部加热。激光照射区域迅速熔融、模量降低，而未照射部分保持结晶、模量较高，由此在材料内部形成稳定的“模量图案”。这一图案可在自然冷却后保持至少三分钟，并可通过再次扫描快速擦除或重写。
图 2 PCL 膜的模量与声速编程特性。展示材料的两大关键特性 ——“高声透明性”（图 2a、b）与 “可逆模量编程”（图 2c、d、f），同时明确分辨率（图 2e）和稳定性参数。
与传统复合超材料不同，这种半结晶聚合物内部的晶区与非晶区之间存在连续过渡的“梯度界面”，而非尖锐相界，因此声波在传播时几乎不会出现显著反射或散射。
实验表明，在0.9 MHz至140 MHz的宽频范围内，该材料的声透射率始终高于75%，在实验采用的2.25 MHz频率下更超过83%。这意味着它能在保持高透声性的同时，通过局部调控模量来改变声波相位，从而实现低能耗的相位调制。
声全息生成与重构过程
研究者将该聚合物制成厚度约1.75 mm的薄膜（此厚度是 2.25 MHz 频率下实现二进制相位调制（π 相位差）的最优厚度）。通过激光扫描控制器，可将预设的相位分布图案写入薄膜中。
利用迭代角谱算法（Iterative Angular Spectrum Approach，IASA），首先从目标声场图像（例如圆环或特定形状）反推出所需的相位分布，再将相应的“二进制”模量图案在聚合物上写出。当平面声波经过此薄膜时，其相位被局部调制，干涉后在目标平面形成预期的声压分布。实验中，团队成功重建了环形、心形、海豚等多种声图案，且生成的声图案可稳定保持至少9小时（需持续激光扫描维持模量图案）。
图3 可重构声全息的设计原理。
该方法的空间调制分辨率约为100 µm（约等于10,000像素/cm²），主要受激光光斑尺寸限制。单纯依靠聚合物重写时，完整加热 — 冷却周期约需 13 分钟，因此刷新率仍受制于材料相变速度。
动态声全息系统的构建
为实现实时控制，研究团队将可编程聚合物与“分区压电换能器”（partitioned PZT）结合。该换能器由8×8个独立声源组成，每个单元的开关状态（ON/OFF）可通过场可编程门阵列（FPGA）高速控制，从而在电信号层面调节入射声波的幅度分布。
图4 分区PZT控制的动态声全息。
团队设计了一种结合深度学习辅助神经网络（物理辅助神经网络 PANN + 多平面 IASA）的优化流程，将目标声场分解为两个控制变量：聚合物膜的相位分布与PZT阵列的开关矩阵。通过该算法同时优化两者，系统能够以复合调制的方式生成连续动态图像。
实验结果表明，该装置能以高达每秒5万帧的速率切换声场状态，刷新时间仅约20微秒。研究人员通过快速切换不同的相位—幅度组合，展示了由声波干涉形成的“飞鸟振翅”动态图案，验证了其实时声全息显示的可行性。
实验验证
在进一步实验中，团队演示了两种潜在应用：
其一是声辐射力驱动的微粒操控。研究者在水中悬浮微米级聚二甲基硅氧烷颗粒，利用声场高压区的辐射力将粒子捕获并排列成设计图案。通过重新编程聚合物膜，声场分布可随时改变，实现不同形状的颗粒阵列，且整个过程不依赖光学透明环境。
其二是“远程热写入”。声波经相位调制后可穿透约10mm厚的生物组织（牛肉块），在其后的热敏膜上聚焦并局部升温。实验中，声场在目标点使温度于10秒内上升约21°C，并可按设定路径逐点写出字母“Z”的热轨迹。通过调整PZT的开关序列，可实时改变加热路径。
图5 动态声全息的潜在应用示例。
总结
该研究展示了一种结合材料可编程性与电子控制的声全息实现途径。其核心创新在于：
发现并利用了半结晶聚合物的“声透明性”与可逆模量调控特性；
通过梯度界面结构显著降低了声能损失；
结合高速电控阵列实现了高分辨率、超快速的动态声场刷新。
研究团队指出，当前系统仍依赖激光扫描进行模量写入，设备体积较大、效率有限。未来可考虑采用可电控或光场直接成像的慢结晶聚合物，以实现更紧凑、高效的声场调制模块。该思路不仅适用于声镊和声疗，还可能扩展到微流控操控、组织工程、甚至非侵入式脑刺激等前沿应用。
论文信息：Zhang, M., Jin, B., Hua, Y., Zhu, Z., Xu, D., Fan, Z., Zhao, Q., Chen, J. & Xie, T. (2025). Reconfigurable dynamic acoustic holography with acoustically transparent and programmable metamaterial. Nature Communications, 16(1), 9126. https://doi.org/10.1038/s41467-025-64154-y
