传统声场调控技术在分辨率与刷新率上难以兼顾。一项突破性研究通过结合可编程聚合物材料与高速电控阵列,实现了兼具高空间分辨率与超快刷新率的动态声全息系统,为声镊、医疗等领域带来全新可能。
智能速览
新型半结晶聚合物兼具声透明与可编程特性。
系统空间分辨率高达100 µm(约10000像素/cm²)。
结合分区PZT阵列,声场刷新速率可达5万帧/秒。
成功演示了声镊操控与穿透生物组织的远程热写入。
该技术有望应用于微流控、组织工程及脑刺激等领域。
精华内容
这项技术的核心在于一种独特的材料与一种巧妙的系统设计,二者协同作用,突破了声场动态控制的瓶颈。
可编程声学介质
研究团队选用聚己内酯(PCL)作为基础材料,并加入光热染料。通过红外激光局部照射,可快速改变材料局部模量,形成稳定的“模量图案”,且能被擦除重写。
这种半结晶聚合物内部晶区与非晶区存在连续的梯度界面,声波传播时几乎无反射或散射,声透射率在2.25 MHz频率下超过83%,实现了低能耗的相位调制。
双重调制策略
为实现动态控制,系统将可编程聚合物膜与分区压电换能器(PZT)结合。聚合物膜负责高分辨率地调控声波相位,形成基础声场图案。
而8×8的PZT阵列则通过FPGA高速控制各单元的开关状态,以极高速度调节声波幅度。研究团队利用深度学习辅助算法同时优化这两个变量,实现复合调制。
极致性能表现
该系统在性能上实现了显著突破。其空间调制分辨率达到约100 µm,相当于每平方厘米10,000像素,远超传统相控阵系统(通常低于10像素/cm²)。
更关键的是,通过电控PZT阵列,声场状态的刷新速率高达每秒5万帧,刷新时间仅约20微秒,实现了真正意义上的实时动态声全息。
潜在应用验证
研究通过实验展示了该技术的应用潜力。一是声辐射力驱动的微粒操控,可在水中捕获并排列微米级颗粒形成不同图案,不依赖光学环境。
二是“远程热写入”,声波穿透10mm厚的生物组织后,能在热敏膜上精确聚焦并升温,10秒内使目标点温度上升约21°C,并成功写出字母轨迹。
该研究通过材料科学与电子工程的深度融合,为动态声场调控开辟了新路径。未来若能简化写入设备,这项技术或将在精准医疗和微观操控等领域引发革命性变革。