歷經數百萬年的進化，江豚擁有強大的生物聲吶，能夠在水下探測和追蹤獵物。在江豚的回聲定位系統中，聲源尺寸約為其發射聲波波長的一半。根據經典的人工聲吶理論，要在這樣的硬件條件下實現指向性的定向目標探測是非常困難的（Phys. Rev. App. 2017; 8: 064002）。江豚所擁有的卓越聲吶探測能力堪稱自然傳奇。
跳躍的長江江豚（CC BY-SA；攝影：餘會功）
在最近發表於《國家科學評論》（National Science Review, NSR）的研究工作中，廈門大學張宇教授課題組與美國麻省理工學院方絢萊教授課題組基於江豚的計算機斷層掃描成像和梯度聲速測量結果，用超材料複合結構重構了江豚物理模型，實現了與江豚聲吶極其相似的指向性瞬態聲發射和目標探測功能。
江豚聲吶的計算機掃描圖像（左）及其物理模型示意圖（右），圖中I、II、III、IV、V分別對應額隆、肌肉、結締組織、頭骨和氣囊。
該人工結構通過氣囊、頭骨和變聲速額隆等多相複雜介質來調控聲波束（其中涉及氣囊的聲散射與反射、頭骨-軟組織的聲固耦合與模式轉化、聲梯度組織材料的相位控制等），可以利用聲波作用，在目標上產生鏡像回波與彈性回波，從而實現了與江豚聲吶極其相似的指向性瞬態聲發射和目標探測功能，可以提高探測精度、抑制環境背景噪聲干擾，並抑制界面、非探測目標等混響干擾。
江豚生物聲吶（上）及其物理模型（下）對水下目標進行探測
模擬和實驗結果表明，江豚物理模型能夠在寬頻範圍內實現指向特性和主軸能量增強效應。這與江豚通常採用的窄帶聲吶不同，說明該物理模型有望進一步擴展聲吶性能。
此外，該聲學人工結構在指向性水下目標探測和抑制假目標干擾方面表現出色。實驗顯示，該結構能提高水下聲探測的信噪比，區分靜態目標和動態干擾物，判別實際目標與虛假目標。
指向性聲波束實驗測量裝置
江豚物理模型實現了複雜生物系統的人工材料和結構化，填補了生物聲納和人工系統之間的空白。這項工作有助於探索生物聲吶的自然之謎，也推動了基於生物傳感原理的仿生技術的發展，希望最終可以“青出於藍而勝於藍，源於自然而超越自然”。其中，複雜多相介質的聲波調控機理具有普遍性，在水聲傳感、無損檢測和醫學超聲等領域有廣泛的應用前景。
點擊https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwz085/5536939查看論文原文。
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