Das We-Xite-Labor für Wellenengineering, unter der Leitung von assistierenden Professor Osama R. Bilal, hat ein rekonfigurierbares Metamaterial entwickelt, das Schallwellen steuern kann — indem es diese biegt, dämpft oder fokussiert — und dabei eine nahezu unendliche Anzahl möglicher Formen in Echtzeit kodiert.
Die Ergebnisse ihrer Forschung sind jetzt in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.
„Metamaterialien sind künstliche Materialien, die außergewöhnliche Eigenschaften erreichen können, die in der Natur nicht leicht zu finden sind“, erläutert die Doktorandin Melanie Keogh ’22 (ENG), die erste Autorin der Studie. In diesem Fall wollte das Forschungsteam ein Material entwickeln, das Schallwellen steuern kann und gleichzeitig in Frequenz und Funktion anpassbar ist, mit potenziellen Anwendungen, die von medizinischer Bildgebung bis zur Schalldämmung reichen.
Aufbau und Funktionsweise des Metamaterials
Das Metamaterial besteht aus asymmetrischen Säulen mit einer oder mehreren hohlen Flächen, die an einen Apfelkern erinnern. Diese Säulen sind in einem 11×11-Raster angeordnet, wobei Motoren die Ausrichtung jeder Säule steuern. Die Motoren sind präzise abgestimmt, so dass die Ausrichtung in Ein-Grad-Rotationsschritten kontrolliert werden kann.
Wenn Schallwellen durch das Material geschickt werden, prallen sie von den Vertiefungen der Säulen ab. Da jede Säule individuell angepasst werden kann, gibt es nahezu unendlich viele mögliche Wege, die die Schallwellen durch das Raster nehmen können. Dies bedeutet, dass das Material verwendet werden kann, um den Effekt von Schallwellen zu verstärken, indem sie auf einen einzigen Punkt gerichtet werden.
Anwendungsmöglichkeiten und wissenschaftlicher Einfluss
„Stellen Sie sich etwas wie einen Gehirntumor vor — etwas, das Sie zerstören möchten, aber gleichzeitig können Sie nicht mit einem Skalpell hineingehen. Zu Beginn können Sie nicht einmal mit hochintensivem Schall hinein“, erklärt Bilal. „Sie benötigen sehr niedrigamplitudige Wellen, die sich nur auf einen einzigen Punkt konzentrieren und danach wieder dispersieren. Auf diese Weise können Sie einen Tumor schwächen oder einen Nierenstein angreifen oder Sie können kleine Partikel im menschlichen Körper manipulieren, zu denen Sie keinen Zugang haben — aber Schallwellen können dies.“
Gleichzeitig kann das entwickelte Metamaterial als Plattform zur Untersuchung fundamentaler Konzepte in der Wellenphysik dienen. Ein Beispiel sind topologische Isolatoren, Materialien, die Elektrizität entlang ihrer Grenzen, jedoch nicht durch ihren Kern leiten können — ein Konzept, das vor einigen Jahren den Nobelpreis für Physik erhielt. Das Forschungsteam nutzte ihre Metamaterialien, um Schall auf ähnliche Weise zu steuern, was bedeutet, dass die Schallwellen an der Außenseite des Materials entlanggeführt werden können, ohne es zu durchdringen.
In einer weiteren Studie verwendet das Team Metamaterialien zur Reduzierung von Luftwiderstand bei bewegten Objekten, was den Energie- und Kraftstoffverbrauch senkt.
Design-Innovationen und Rekonfigurierbarkeit
Keogh erklärt, dass das Forschungsteam die Idee hatte, Zahnräder oder Motoren zur Drehung der einzelnen Säulen zu verwenden, da sie ein anhaltendes Engineering-Problem lösen wollten: „Traditionell sind Metamaterialien fixiert, was bedeutet, dass sie ihre Form nach der Herstellung nicht ändern können.“ Für ein Metamaterial, das Schall manipuliert, würde dies bedeuten, dass es nur „einstellbar“ wäre, um einen bestimmten Frequenzbereich zu kontrollieren — nicht sehr vielseitig. Ein fixes Metamaterial kann auch völlig ineffektiv werden, wenn es beschädigt wird, selbst durch normale Abnutzung.
Im Gegensatz dazu „ermöglicht es dieses Metamaterial, es neu auszurichten oder ‘einzustellen’, ohne das gesamte Material erneut herstellen zu müssen“, sagt Keogh. Und da die Motoren elektronisch gesteuert werden können, erleichtern sie die Programmierung des Materials in Echtzeit, immer wieder, anstatt auf eine Neuproduktion zurückzugreifen.
„Ein zusätzliches Merkmal, das dieses Papier einzigartig macht, ist der kombinatorische Aspekt“, ergänzt Keogh und zeigt, dass die Effekte des Metamaterials noch weiter gesteuert werden können, indem Säulen in Kombination zueinander ausgerichtet werden. Zwei, vier oder mehr Säulen, die zusammen bewegt werden, bilden eine „Superzelle“, die noch mehr Variablen für Ingenieure bietet.
„Wir können mit dieser Plattform viele Tricks machen“, sagt Bilal. „Superzellen kombiniert mit Asymmetrie helfen uns, den Designraum noch weiter zu erweitern. Dies ist ein sehr vielseitiger Ansatz zur Abstimmung von Metamaterialien.“
Herausforderungen und zukünftige Richtungen
Der enorme Umfang des Designraums stellt Herausforderungen an das Forschungsteam. Bei so vielen potenziellen Konfigurationen der Säulen wäre es unmöglich, manuell zu berechnen, wie jede einzelne die Schallwellen beeinflussen würde. Keogh scherzt, dass, wenn sie jetzt mit der Arbeit beginnen würde, ihre Enkelkinder immer noch mit den Berechnungen beschäftigt wären.
Bilal stellt die Frage: „Wenn Sie die Anzahl der Atome im Universum navigieren müssen, welches wählen Sie?“ Das Forschungsteam wendet sich an KI-Algorithmen und Heuristiken, um zu verstehen, wie das Material Schall über verschiedene Konfigurationen propagieren wird. „Das Endziel wird ein vollständig autonomes Material sein, das sowohl die Fähigkeit als auch die Intelligenz hat, seine Leistung durch maschinelles Lernen zu optimieren“, sagt Bilal. „Diese Materialplattform bringt uns einen Schritt näher an unser Laborziel des Wellenengineering durch extreme und intelligente Materialien.“
Eine jahrelange Reise
Die Zusammenarbeit von Keogh und Bilal begann, als Keogh als Bachelor-Studentin Bilals Kurs über Vibrationen besuchte. Sie begann, Forschung in Bilals „We-Xite“-Labor zu betreiben, nachdem sie von einem anderen Professor sehr empfohlen wurde. Keogh sagt, dass sie ursprünglich daran interessiert war, nach ihrem Abschluss in die Industrie zu gehen. Aber während ihrer Forschungserfahrungen in der Grundausbildung erkannte sie, dass die Arbeit im Labor oft „Jahre voraus“ ist im Vergleich zu den in der Industrie umgesetzten Lösungen.
„Ich mag es, an der Spitze des Geschehens zu sein“, sagt sie.
„Seit vielen Jahren versuchen wir in unserem Labor, Materialien zu programmieren, um eine bestimmte Funktion zu haben, aber wir waren immer durch die Anzahl der Möglichkeiten, die wir haben können, eingeschränkt“, erklärt Bilal. „Als ich dieses Projekt mit Melanie begann, sagte ich ihr, dass es eine Begrenzung für die Anzahl der Motoren gibt, die wir steuern können. Was geschehen ist, war, dass Melanie, die so gut mit Elektronik ist … Sie hat sich einfach im Labor hingesetzt und die gesamte Schaltung für diese Plattform gebaut. Dies ist ein sehr großes Projekt — man muss die Säulen auf eine sehr spezifische, sehr präzise Weise stapeln und jede einzelne von ihnen steuern. Sie hat es auf die wunderbarste Weise gemacht, die man sich vorstellen kann.“
„In meinen Augen ist das, worum es bei UConn geht“, fügt er hinzu. „Junge Ingenieure auszubilden, die zu professionellen Wissenschaftlern von Weltklasse heranwachsen, ist eines der lohnendsten Aspekte, Professor zu sein.“
Mehr Informationen: Melanie R. Keogh et al., Kombinatorisch asymmetrische akustische Metamaterialien mit Echtzeit-Programmierung, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2502036122.
