Under miljontals år, Tumlare har utvecklat kraftfull biosonar med hög noggrannhet och intelligens för att upptäcka och spåra byten i bullriga undervattensmiljöer. Ljudkällan i en tumlare är ungefär hälften av våglängden av dess utsända akustiska vågor. Enligt lärobokens ekolodsteorier, det är svårt att kontrollera de riktade ljudvågorna för måldetektering. Tumlare, med anmärkningsvärda ekolodsdetekteringsmöjligheter, har varit känd som en naturlig legend om ekolokalisering, men hur man rekonstruerar deras akustiska superstrukturer har varit en stor utmaning för artificiell design.

I ett forskningsarbete publicerat i National Science Review (NSR), forskargrupperna med professor Yu Zhang från Xiamen University och professor Nicholas Xuanlai Fang från Massachusetts Institute of Technology gjorde spännande framsteg inom detta forskningsområde. De föreslog att rekonstruera de fenlösa tumlarnas fysiska modell via hybridmetamaterial baserade på datortomografi och gradientljudhastighetsmätning (Fig. 1).

Denna fysiskt baserade tumlaremodell (PPM) kan manipulera de riktade ljudstrålarna genom de flerfasiga artificiella materialen som luftsäckar, fast struktur, och gradientmaterial. Riktningsanordningen kan producera transienta spegelreflekterade och elastiska vågor genom att interagera med ett undervattensmål, som är mycket likt fenfri biosonar för tumlare (Fig. 2). Denna fördel gör det möjligt att avsevärt förbättra detekteringsnoggrannheten och undertrycka störningar från omgivningsbrus och efterklangsinterferenser såsom havsgränssnitt och icke-upptäckta mål.

Akustiska fältsimuleringar och experimentella mätningar visade att PPM ökade huvudlobens energi i ett brett spektrum av frekvenser. Dock, den fenlösa tumlaren använder vanligtvis smalbandigt ekolod, vilket tyder på att denna fysiska modell ytterligare förbättrar ekolodsprestandan. Dessutom, experimentella mätningar indikerade att denna enhet ökade signal-brusförhållandet för detektering av undervattensmål. Således, PPM kan visa bra prestanda när det gäller riktningsdetektering av undervattensmål och undertrycka falska målinterferenser.

Den fysiskt baserade tumlarmodellen överbryggar gapet mellan biosonar och artificiella system genom att efterlikna biologiska material. Den fysiska modelleringsstudien av tumlare hjälper oss inte bara att utforska det naturliga mysteriet med tumlarens biosonar, men också för att främja utvecklingen av bioinspirerad teknik, för att uppnå målet "från naturen men bortom naturen". Principen för vågmanipulation i komplexa flerfasmedia är universell, och bioinspirerade enheter kan användas i stor utsträckning inom områdena för akustisk undervattensavkänning, icke-förstörande provning, och medicinskt ultraljud, etc.