浙江大学谢涛教授《自然·通讯》：声学全息技术实现高分辨率动态声场操纵

超声波能够穿透多种材料远程传递高能量，实现高分辨率动态声场的精准操控在声镊、声动力疗法和神经刺激等领域具有广阔应用前景。然而，现有声学超材料多依赖结构或复合设计，难以动态调整且声波在界面处衰减严重；传统超声相控阵设备庞大、空间分辨率低；而3D打印声全息图虽分辨率高却无法动态刷新。其他基于机械或磁控的动态声场调制方法也因单元尺寸和控制限制，难以实现高精度调制，亟需一种兼具高透声性、可编程与快速刷新能力的声学调制技术。

近日，浙江大学谢涛教授、陈剑研究员、赵骞教授成功开发出一种基于声学透明可编程超材料的可重构动态声全息技术。该研究利用交联半结晶聚合物，可在约13分钟内反复编码或擦除任意模量图案，实现声波的程序调制。尽管材料具有多相结构，却意外地表现出低声衰减特性，透声率超过83%。结合电控分区压电换能器，该器件能够在指定动态全息中实现每秒50000帧的超快切换速率和每平方厘米10000像素的高调制分辨率，远超现有技术。通过编程不同相位全息图与选择性激发分区换能器，该技术为声学电影和远程热书写等应用开辟了新途径。相关论文以“Reconfigurable dynamic acoustic holography with acoustically transparent and programmable metamaterial”为题，发表在

Nature Communications

研究团队采用半结晶聚合物——交联聚己内酯（PCL）作为声学调制材料，其独特的梯度界面结构使得声波能够直接穿过刚性晶相，即使在30.9%的结晶度下仍保持宽带高声透射率。如图1所示，动态声全息通过激光重写PCL薄膜模量图案与电控分区压电换能器（PZT）协同实现：首先优化目标声全息，同步控制PZT与聚合物；激光扫描诱导局部熔化形成模量图案，PZT进行波前复用；随后材料自然冷却恢复晶态，全过程可重复编程生成不同声场场景。

图1：利用可编程半结晶聚合物薄膜和分区压电换能器（PZT）实现的可重构动态声全息。 在步骤1中，优化目标动态声全息以同步控制分区PZT和聚合物。半结晶聚合物薄膜通过激光重写进行声相位调制，分区PZT通过电编程实现声场复用。当半结晶聚合物薄膜被激光束投射时（i.），透射声波的相位分布φ从0变为π。随后，激光编程的聚合物薄膜在（ii.）和（iii.）中逐渐恢复至晶态。遵循相同流程，半结晶聚合物与分区PZT可重新编程（步骤2），以产生不同场景的动态声全息（步骤3）。

图2进一步揭示了PCL薄膜模量与声速的可编程性。与经典复合材料因尖锐界面导致声波反射不同，PCL的梯度界面使声波直接透射，能量损失极小。在2.25 MHz频率下，PCL在晶态与非晶态的声透射率均超过83%，声速分别为1880 m/s和1520 m/s，实现π相位差的二元调制。激光扫描（1064 nm，80 μm光斑）可在薄膜上形成100 μm分辨率的模量图案，且由于结晶滞后效应，熔化状态可稳定维持约3分钟，为图案写入与保持提供了时间窗口。

图2：PCL薄膜的模量与声速编程。 a 界面在控制声传播中作用的示意图。b PCL薄膜在温度扫描下的声速与透射效率。c 通过激光加热实现晶体PCL薄膜的局部熔化，灰色和黑色分别表示晶态和熔融态。d 在重复激光开关循环中，PCL薄膜浸于20°C水中时的可逆声速变化。蓝色区域为PCL的滞后过程，低声速可维持约3分钟。e 通过干涉仪测量的激光写入分辨率表面形貌（详见补充说明3）。f 通过改变激光写入路径展示模量图案的可重构性照片。

声全息的设计原理如图3所示：通过迭代角谱法计算目标声场对应的二元相位分布，并将其编码为PCL薄膜的模量图案。当平面声波穿透图案化薄膜后，波前被空间调制，经干涉在目标平面重建出声场。实验通过水面波纹直观展示了声压分布，模拟与实验结果高度一致。同一PCL薄膜可通过自然冷却擦除旧图案并激光重写新图案，实现不同声场（如心形、柑橘、海豚等）的重构。

图3：可重构声全息的设计原理。 a 生成声相位全息图的过程及调制声波的二元机制。当声波穿过晶态和非晶态PCL时，透射波之间的相位延迟恰好为π。b 沿声传播路径的声干涉演变模拟结果。c 同一PCL薄膜上重写的模量图案。d 基于重建声场的模拟与实验波纹图案。目标平面与PCL薄膜之间的距离固定为20毫米。所有比例尺为10毫米。

为实现更高刷新率的动态声全息，研究引入了分区PZT（图4）。该8×8阵列通过电控开关矩阵在纳秒级切换声源振幅，结合PCL薄膜的相位调制，实现了复杂振幅声全息。例如，通过优化模量图案与开关矩阵，系统可实时显示动态数字序列乃至飞鸟动画，刷新率高达50000 fps。该集成声光系统通过深度学习辅助的神经网络算法，将目标声场转换为优化的相位图与开关矩阵，实现了高空间分辨率与高速刷新的声场操控。

图4：分区PZT控制的动态声全息。 a 通过分区PZT（控制振幅分布）与模量图案（控制相位分布）组合实现复杂振幅声全息的示意图。b 开关矩阵的开关状态、模拟声场及实验显示的波纹图案，展示了各种数字的实时控制。模量图案在整个过程中保持不变。c 描绘飞鸟的声学电影设计过程（步骤1），其中PCL薄膜的模量图案通过光学重新编程（步骤2）。d 不同姿态鸟的开关矩阵、模拟声场及波纹图案。目标平面与PCL薄膜之间的距离固定为15毫米。所有比例尺为10毫米。

在应用展示中（图5），该技术展现出在工程与医疗领域的潜力。一方面，通过纯相位调制产生的声辐射力，可在不透光环境中远程捕获微粒子（10-250 μm），并通过重编程模量图案实现多种粒子排列。另一方面，声波经调制后穿透生物组织（如10 mm厚牛肉），在特定位置集中产生热能，实现实时“热书写”。实验显示，通过切换PZT开关矩阵，热路径可精准跟踪预设轨迹（如“Z”字形），10秒内温升达21°C，展现了高效的远程能量传递能力。

图5：动态声全息的潜在应用示意图。 a 粒子捕获示意图，其中被困粒子在声辐射力FARF、重力FG和浮力FB作用下沿腔体上窗口排列。b 使用具有不同重编程模量图案的PCL薄膜重复将粒子捕获成不同图案。c 通过动态声全息穿透生物组织进行远程声热书写示意图，黄色区域为加热轨迹。d 远程声加热实验装置示意图。e 声波穿透生物组织（10毫米厚牛肉）时的声加热效率。f 红外相机捕捉的热图像快照，显示通过切换分区PZT实时热书写“Z”字母。目标平面与PCL薄膜之间的距离固定为12毫米。所有比例尺为10毫米。

这项可重构动态声全息技术实现了声场的远程、实时、无损操控，其独特的穿透能力超越了光学镊子等系统，仅限用于透明环境的局限。该技术的高空间分辨率与精度为微流控、微组装、3D打印、组织工程及肿瘤治疗、深脑刺激等医疗应用开辟了新可能。尽管当前激光扫描系统仍显庞大，未来通过开发非易失性可编程材料（如慢结晶聚合物），结合结构光投影或电加热，有望进一步提升集成度与实用性。梯度界面声学透明机制的发现，也为开发新一代智能声学材料提供了重要启示。

来源：高分子科学前沿

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