Nel corso di milioni di anni, le focene hanno sviluppato un potente biosonar con elevata precisione e intelligenza per rilevare e tracciare le prede in ambienti sottomarini rumorosi. La sorgente sonora in una focena è circa la metà della lunghezza d'onda delle sue onde acustiche emesse. Secondo le teorie del sonar da manuale, è difficile controllare le onde sonore direzionali per il rilevamento del bersaglio. focene, con notevoli capacità di rilevamento sonar, sono stati conosciuti come una leggenda naturale dell'ecolocalizzazione, ma come ricostruire le loro sovrastrutture acustiche è stata una grande sfida per il design artificiale.

In un lavoro di ricerca pubblicato su Rassegna scientifica nazionale (RSN), i gruppi di ricerca del Prof. Yu Zhang dell'Università di Xiamen e del Prof. Nicholas Xuanlai Fang del Massachusetts Institute of Technology hanno compiuto entusiasmanti progressi in quest'area di ricerca. Hanno proposto di ricostruire il modello fisico delle focene senza fine tramite metamateriali ibridi basati sull'imaging della tomografia computerizzata e sulla misurazione della velocità del suono a gradiente (Fig. 1).

Questo modello di focena basato sulla fisica (PPM) può manipolare i raggi sonori direzionali attraverso i materiali artificiali multifase come le sacche d'aria, struttura solida, e materiali sfumati. Il dispositivo direzionale può produrre onde elastiche riflesse speculari transitorie interagendo con un bersaglio subacqueo, che è molto simile al biosonar della focena senza pinne (Fig. 2). Questo vantaggio consente di migliorare significativamente l'accuratezza del rilevamento e sopprimere le perturbazioni da rumore ambientale e interferenze di riverbero come interfacce marine e bersagli non rilevati.

Le simulazioni del campo acustico e le misurazioni sperimentali hanno scoperto che il PPM ha aumentato l'energia del lobo principale in un'ampia gamma di frequenze. Però, la focena senza pinne di solito usa sonar a banda stretta, suggerendo che questo modello fisico migliora ulteriormente le prestazioni del sonar. Inoltre, misurazioni sperimentali hanno indicato che questo dispositivo ha aumentato il rapporto segnale-rumore per il rilevamento di bersagli subacquei. Così, Il PPM potrebbe mostrare buone prestazioni nel rilevamento direzionale di bersagli subacquei e nella soppressione delle interferenze dei falsi bersagli.

Il modello di focena basato sulla fisica colma il divario tra biosonar e sistemi artificiali imitando i materiali biologici. Lo studio della modellazione fisica delle focene non solo ci aiuta a esplorare il mistero naturale del biosonar della focena, ma anche per promuovere lo sviluppo di tecnologie bioispirate, in modo da raggiungere l'obiettivo di "dalla natura ma oltre la natura". Il principio della manipolazione delle onde in mezzi multifase complessi è universale, e i dispositivi bioispirati potrebbero essere ampiamente utilizzati nei campi del rilevamento acustico subacqueo, controlli non distruttivi, ed ecografia medica, eccetera.