Peneliti membuat bahan pintar yang dapat meniru perangkat listrik dengan memicu respons berbeda terhadap suara – Sains Terkini

Dari headphone yang kami gunakan untuk mendengarkan lagu atau podcast favorit kami, hingga kamuflase sonik yang digunakan oleh kapal selam, bagaimana kami mentransmisikan dan merasakan suara adalah bagian penting dari bagaimana kami terlibat dengan dunia sekitar kami. Metamaterial akustik adalah bahan yang dirancang untuk mengontrol, mengarahkan, dan memanipulasi gelombang suara saat mereka melewati media yang berbeda. Dengan demikian, mereka dapat dirancang dan dimasukkan ke dalam struktur untuk meredam atau mengirimkan suara.

Masalahnya adalah, metamaterial akustik tradisional memiliki geometri yang kompleks. Sering terbuat dari logam atau plastik keras, begitu dibuat, mereka tidak dapat diubah. Ambil contoh, perangkat akustik yang dibangun untuk meredam suara yang keluar di kapal selam, sehingga dapat mencapai siluman. Jika muncul kondisi yang berbeda, misalnya sekutu kapal selam yang ingin berkomunikasi lewat, perangkat akustik yang sama tidak akan memungkinkan suara untuk ditransmisikan secara eksternal.

Sebuah tim peneliti USC, yang dipimpin oleh Qiming Wang, asisten profesor di Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan Sonny Astani, menciptakan bahan pintar baru yang mengakomodasi perubahan dalam transmisi akustik sesuai permintaan. "Dengan metamaterial akustik tradisional, Anda membuat satu struktur dan Anda mencapai satu properti. Dengan material pintar baru ini, kami dapat mencapai beberapa properti hanya dengan satu struktur," kata Wang. Dalam mempelajari materi baru ini, Wang dan timnya menemukan bahwa bahan pintar mereka memiliki kemampuan menciptakan kembali sifat intrinsik untuk perangkat elektronik seperti sakelar, sehingga menunjukkan janji transmisi suara cerdas – "komputer" suara.

Wang dan timnya, termasuk USC Viterbi Ph.D. kandidat Kyung Hoon Lee, Kunhao Yu, An Xin dan Zhangzhengrong Feng, dan sarjana postdoctoral Hasan Al Ba'ba'a, merinci temuan mereka di makalah mereka "Bahan-Bahan Metamaterial Akustik Magnetoaktif Terinspirasi Sharkskin," baru-baru ini diterbitkan di Penelitian. Terinspirasi oleh sifat ganda yang diciptakan oleh dentikel dermal pada permukaan kulit hiu, tim ini menciptakan material metalik akustik baru yang mengandung nanopartikel sensitif-magneto yang akan membengkok di bawah kekuatan rangsangan magnetik. Gaya magnet ini dapat mengubah struktur dari jarak jauh dan sesuai permintaan, mengakomodasi berbagai kondisi transmisi.

Memodulasi Banyak Properti Akustik dalam Satu Perangkat

Metamaterial akustik yang dibuat oleh para peneliti terbuat dari karet dan campuran nanopartikel besi. Karet menawarkan kelenturan, memungkinkan material menekuk dan melenturkan secara berulang dan berulang, sementara setrika membuat material responsif terhadap medan magnet.

Untuk membuat struktur responsif terhadap input akustik, Wang dan timnya harus mengumpulkan bahan sedemikian sehingga resonansi di antara mereka – resonansi Mie – memungkinkan untuk perubahan transmisi akustik – baik memblokir atau melakukan input akustik. Jika pilar lebih dekat bersama, gelombang akustik akan secara efektif terjebak dan dicegah merambat ke sisi lain dari struktur. Sebaliknya, jika pilar-pilarnya terpisah jauh, gelombang akustik akan dengan mudah melewatinya. "Kami menggunakan medan magnet luar untuk menekuk pilar dan melonggarkan pilar untuk mencapai peralihan keadaan semacam ini," kata penulis utama Lee. Hasilnya adalah pergeseran dari posisi yang menghalangi transmisi akustik ke posisi yang secara efektif melakukan gelombang akustik. Tidak seperti metamaterial akustik tradisional, tidak ada kontak atau tekanan langsung yang diperlukan untuk mengubah arsitektur material.

Suara "Komputer"

Wang dan timnya mampu menunjukkan bagaimana materi pintar mereka dapat meniru tiga perangkat elektronik utama: saklar, gerbang logika, dan dioda. Interaksi bahan yang peka terhadap magneto dengan medan magnet memanipulasi transmisi akustik sedemikian rupa untuk menciptakan fungsi seperti rangkaian listrik.

Untuk memahami ini dengan lebih baik, mari kita lihat bagaimana masing-masing dari ketiga perangkat elektronik ini bekerja.

Sakelar memungkinkan saluran untuk dinyalakan dan dimatikan, misalnya, dalam headphone peredam bising. Dalam contoh ini, menggunakan struktur yang dibangun dari metamaterial akustik yang cerdas, Anda dapat menyetel medan magnet sehingga pilar resonator Mie bengkok dan memungkinkan kebisingan eksternal untuk melewatinya. Dalam contoh lain, Anda dapat mematikan medan magnet dan pilar-pilar akan tetap vertikal, menghalangi kebisingan eksternal yang lewat, kata Wang.

Gerbang logika dibangun berdasarkan ide ini, dengan memicu pengambilan keputusan berdasarkan rangsangan yang masuk ke saluran input yang berbeda. Dalam kasus kapal selam, mungkin Anda ingin perangkat akustik memodulasi banyak kondisi, alih-alih kondisi tunggal: menyerang ketika menerima satu sinyal lemah dan satu sinyal kuat, tetapi melarikan diri ketika menerima dua sinyal kuat. Untuk memungkinkan beberapa skenario menjadi bagian dari pengambilan keputusan, Anda secara tradisional membutuhkan beberapa perangkat, masing-masing dirancang untuk skenario yang berbeda. Operator gerbang AND menjelaskan perangkat akustik yang akan memicu respons tertentu hanya ketika saluran input keduanya kuat. Operator gerbang OR menjelaskan perangkat akustik yang akan memicu keputusan tertentu ketika salah satu dari kedua sinyal kuat. Dengan metamaterial akustik tradisional, Anda hanya dapat membuat satu operator dan dengan demikian hanya menanggapi satu syarat. Dengan metamaterial akustik cerdas baru yang dikembangkan oleh para peneliti, Wang mengatakan Anda dapat beralih dari gerbang AND ke operator gerbang OR sesuai permintaan. Dalam kasus kapal selam, itu berarti menggunakan medan magnet, Anda dapat mengubah kondisi di mana perintah serangan dipicu tanpa membangun perangkat akustik baru.

Akhirnya, ada dioda. Dioda adalah perangkat di mana intensitas akustik tinggi di satu arah dan rendah di lain, sehingga ia menawarkan transportasi satu arah dari gelombang akustik. Metamaterial akustik tradisional akan memungkinkan Anda melakukan ini, tetapi sekali lagi, Anda tidak dapat mengubah status. Dengan menggunakan metamaterial akustik cerdas yang baru, Anda dapat mengubah dari kondisi dioda menjadi konduktor, yang memungkinkan transmisi di kedua arah, alih-alih hanya satu arah. Ini berperan dalam contoh kamuflase sonik di kapal selam, di mana kadang-kadang Anda ingin perangkat akustik memungkinkan suara untuk bepergian hanya dalam satu arah dan waktu lain, Anda ingin itu dapat ditularkan di kedua arah.

"Perubahan seperti itu tidak pernah dicapai oleh metamaterial akustik tradisional," kata Wang.

Langkah selanjutnya

Saat ini, Wang dan timnya sedang menguji materi mereka di udara. Selanjutnya, mereka berharap untuk menguji sifat yang sama di bawah air, untuk melihat apakah mereka dapat mencapai karakteristik yang sama pada kisaran USG.

"Karet bersifat hidrofobik, sehingga strukturnya tidak akan berubah, tetapi kita perlu menguji apakah bahannya masih memiliki kemampuan untuk ditembus di bawah medan magnet luar," kata Wang, mencatat bahwa air akan memiliki lebih banyak resistensi dan dengan demikian menambah gesekan pada situasi. .

Penelitian ini didanai oleh Kantor Penyelidik Muda Program Penelitian Ilmiah Angkatan Udara (FA9550-18-1-0192, manajer program: Dr. Ming-Jen Pan) dan National Science Foundation (CMMI-1762567).

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.