イルカを「先生」として迎えましょう！音波の「カンニングペーパー」を学んで楽々水中を泳げるようになるよ～

著者: 李伝福

深海では、イルカは独自のソナーシステムであるエコーロケーションを使って、驚くべきナビゲーション能力と探知能力を発揮します。高周波音波を発し、反射したエコーを受信することで周囲の状況を検知し、分析します。彼らは、暗い水や濁った水の中でも、獲物の位置を正確に特定し、障害物を識別し、さらには仲間とコミュニケーションをとることもできます。このソナーシステムは、イルカの額にある脂肪パッドを利用して音波を集中させて方向付け、顎にある脂肪パッドを利用して音波を受信し、内耳に送って処理します。イルカのこの能力は自然界の奇跡であるだけでなく、人間の科学者にもインスピレーションを与えています。

厦門大学の張宇教授のチームは、イルカのソナーシステムにヒントを得て、新しいタイプの音響ソフトバイオメタマテリアルを開発した。この素材は音響透過性が高く、屈折率が勾配するため、水中モニタリングや医療用超音波アプリケーションに最適です。従来の剛性メタマテリアルとは異なり、この音響ソフトバイオメタマテリアルは、シリコンマトリックスに埋め込まれたマイクロメートルサイズの固体粒子または液滴で構成されています。この設計により、素材に柔らかさが与えられるだけでなく、音波を効果的に伝達および操作することも可能になります。

イルカのソナー システムにヒントを得た新しい音響ソフト バイオメタマテリアルの概略図。画像提供：厦門​​大学

音響ソフトバイオメタマテリアルの音響屈折率は、含有物含有量の増加とともに非線形変化を示し、これにより、勾配のある音響特性を持つ機能デバイスを設計することが可能になります。この材料は、0.5～2 MHz の周波数範囲で分散のない特性を示し、理論的には 20 MHz までの周波数でも安定して動作できます。この素材は、水との音響インピーダンスの差が非常に小さいため、界面反射損失が低減し、水中での音響透過率が高く、音響透過率は 100 パーセントに近くなります。

この音響的に柔らかいバイオメタマテリアルは、過度に硬くなることなく引張荷重下で大きな変形を起こすことができるため、柔軟性と変形性が求められる用途に非常に役立ちます。固体粒子でも液滴でも、剛性を低く保ちながら、材料の音響特性と機械特性を調整できます。

この音響ソフトバイオメタマテリアルをベースにした音響ビームフォーマーは、機械的な伸張によって音響ビームパターンを動的に変更することができ、それによって音場の効果的な制御を実現します。この調整可能なメタマテリアルは、微細構造を導入してコリメーション、フォーカス、渦形成を実現し、ソフトマターの超音波特性を最適化することで、音響操作アプリケーションに新たな機会をもたらし、検出、イメージング、通信を強化します。

材料科学の継続的な進歩により、この音響ソフトバイオメタマテリアルは、磁気、光学、熱活性粒子などのよりインテリジェントな機能を統合し、より複雑で洗練された音場制御を実現します。これは科学技術の発展を促進するだけでなく、人類に未知の世界を探索するためのより強力なツールを提供することにもなります。この新しい素材は、音響モニタリング、イメージング、通信において大きな可能性を示しており、将来的には海洋音響や生体医学的超音波の分野でさらなる進歩と革新をもたらすでしょう。