撰稿| 由课题组供稿
能量传输领域广泛，涉及电、声与光，与人类生产、生活密切相关，设计高效的能量传输器件意义重大。
20世纪初，贝尔实验室发现了阻抗匹配对于提高能量传输的重要性，从而使跨大陆通信成为可能。此后，四分之一波长的阻抗匹配器被广泛应用到电、声和光等能量传输中。然而常规的匀质阻抗匹配器存在着基本的厚度-波长限制，即匹配层厚度严格由波长决定，能量只能窄带传输。因此，如何实现能量在宽带范围内的高效亟待解决。
针对上述能量传输限制问题，近日，厦门大学张宇教授课题组与美国麻省理工学院（MIT）的方绚莱教授和赵选贺教授课题组合作，结合海豚声学结构、超构材料设计以及水凝胶柔性材料，提出了一种全新的“超凝胶阻抗变换器”（BMIT）设计。相关成果以“Bioinspired metagel with broadband tunable impedance matching”为题发表在国际综合性Top期刊《Science Advances》杂志上。
海豚生物组织具有复杂介质特性。历经长期的自然选择，海豚进化出多相的回声定位系统，包括气囊、声速-密度渐变组织、头骨与上颌骨等（见下文图1A，1B），能够将宽带脉冲高效地传输到水中（图1C， 1D，1E），其原理可为宽带阻抗匹配设计提供新思路（图1F）。
图1 A. 海豚头部的三维重建和组织样本；B. 海豚声主轴方向的阻抗分布函数；C. BMIT阵列示意图和尺寸分布；D-E. BMIT（凝胶-阻抗匹配结构）与QIT（四分之一波长阻抗匹配器）传输性能对比；F. BMIT与QIT频率响应的理论-模拟结果对比；
研究团队参考海豚声学系统的阻抗渐变特性，提出了BMIT的不均匀介质声传输线理论：
其中R为反射系数，i为虚数单位，
为匹配层的阻抗分布。对于传统的阻抗匹配器而言，匹配层为均匀介质层，为实现能量在不同介质层之间的高效传输，匹配层的厚度L与声波波长
要满足：
式(2)决定了阻抗匹配器有波长-长度依赖性，只能在某些特定的频率点实现高效传输，而无法实现宽带传输。而对于BMIT声阻抗梯度分布函数
而言，式(1)可变换为：
当L/λ >>1时，
会趋近1。此外，研究团队应用阻抗微扰、小反射系数等近似理论研究了BMIT的声传输机制，揭示了BMIT的工作波长独立于厚度，从而克服阻抗匹配器的窄带传输限制，从而实现宽带传输。
进一步，研究团队开展水下超声探测实验，将超构结构嵌入至水凝胶基体中，实现BMIT的阻抗渐变特性与柔性可调。测量结果表明该人工结构能够实现宽带声传输与探测（图2）。BMIT结合生物仿生、超构材料可编程与水凝胶可调的优势，突破传统阻抗匹配器的波长-长度依赖性,为下一代宽带器件设计开辟了新的途径。
图2 A. BMIT实验示意图；B. 凝胶-阻抗变换器的压缩比和填充率与声阻抗变换关系；C. 四分之一波长匹配器和凝胶-阻抗变换器的模拟-实验结果对比图；
厦门大学海洋与地球学院海洋仿生声学与技术（MBAT）实验室致力于生物声学与仿生研究。本研究工作首次结合海洋声学仿生与软物质新材料，开展交叉学科合作研究，提出基于海豚生物声纳宽带声传输原理的仿生设计，能为声学、力学、电子学和电磁学等领域实现宽带能量传输提供新思路，在多个领域有潜在应用前景。
厦门大学博士研究生董尔谦、宋忠长博士为该论文的共同第一作者。张宇教授、方绚莱教授为该工作的共同通讯作者。研究工作获得国家重点研发项目课题（2018YFC1407504）、国家自然科学基金（41676023；41276040；41422604；11604128）等资助。
文章链接
https://advances.sciencemag.org/content/6/44/eabb3641?rss=1
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