好炫酷！由蜘蛛网结构启发的声波超材料

材料牛注：众所周知，蜘蛛丝是个好宝贝，具有超高比强度和韧性，已经有很多实际的应用（看过蜘蛛侠的都懂）。但其实蜘蛛网的结构也有十分优异的性能，如减振性。近日，欧洲的一群科学家们研制出了一种仿生蛛网的声波超材料，甚至能帮助建筑和桥梁抗地震!

科学家尝试了多种型号的蜘蛛网声波超材料后，终于找到了一种能够更高效地抑制低频声波、调谐不同频率的声波材料。

众所周知，蜘蛛丝不仅特别轻，而且比强度还非常高，在特定条件下甚至超过钢的强度。因此，科学家们已经根据蜘蛛丝的优异性能研制出不同功能的仿生材料，如持久耐用的轻质服装、防弹背心、降落伞等等。但目前为止，蜘蛛网的声波性能还没有被完全开发出来。近日，意大利、法国和英国的科学家们设计出了一种声波超材料，具有一定周期性的结构，其灵感来源于一种叫做金丝圆蛛或人面蜘蛛的复杂蛛网结构。

该研究的合作者之一，意大利都灵大学的物理学家Federico Bosia说：“近年来，在超材料领域，人们一直在寻找对声波衰减和调控最有效的结构。我们发现，蜘蛛网是由具有不同弹性的放射丝和捕丝组成的结构，尽管它非常的轻盈，但是却能够有效地消减吸收各种频率的震动。”

尝试了多种型号的蜘蛛网声波超材料后，科学家终于找到了一种能够更高效地抑制低频声波、调谐不同频率的声波材料。通过与蜘蛛丝的超高强度和各向异性相结合，这种蛛丝仿生超材料展示出可调节的声学性能，有望在振动领域发挥新的作用，比如在地震中加固桥梁和建筑、降噪、亚波图像技术和声音隐身斗篷等等。

蛛丝在声学性能上的优势，一定程度上是因为网中心的那些环，这些环能在特定频率共振。基于这种天然结构，科学家设计了一种声波超材料，它由若干具有共振环的方形单元组成，并由韧带结构连接环中心和四周。这种设计能够组装到各种人造结构中发挥作用。

Bosia表示：“我们可将周期性的类蛛网单元组装到主缆和吊缆线结构中，设计出减震悬索桥（甚至能抗地震）或其他拉伸结构。如果规模小一点，类似的结构还可以用来降噪，如公路或铁路两旁的声音隔离装置。”

这种超材料可控性非常高，因为它的几何结构有五个自由度(比传统的声波材料要多)，每个都能被单独调控，这样就能设计出响应不同频率的材料。这种材料能够抑制的频率范围称为禁带，而这种蛛丝仿生超材料有非常宽的禁带，可调性非常好。未来，科学家会进一步研究蛛网的减振性能以及如何让它发挥更大的实用价值。

Bosia还说：“我们其实还希望研究一个单独的蛛网结构的振动性能，而非现在我们所用的这种大规模的周期结构，这样能帮助我们更好的理解这种结构是否能够根据振动的衰减和在不同区域的集中效应帮助蜘蛛实现某种特殊功能。总之，我们想发现一些其他的仿生设计灵感，可能基于它的梯度结构来设计对不同频率范围的衰减功能。我们也希望将这些概念应用到更大的尺度上，比如抗地震的装置。”

原文链接：Sound-proof metamaterial inspired by spider webs。

文献链接：Spider web-inspired acoustic metamaterials。

本文由编辑部杨洪朝提供素材，williamyen编译，点我加入材料人编辑部。