《Advanced Science》：All-in-One Underwater Quality Evaluation Metamaterial With Mechanical Robustness, Sound Attenuation, and Diffuse Reflection
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本文报道了一种集成力学鲁棒性、宽频声衰减与低频扩散反射功能的一体化水下仿生复合材料。受跳蛛液压传动与人骨骼肌肉系统启发，该结构通过阻尼驱动弱能量纠缠与阻抗失配驱动波型转换机制，在静水压（≤3 MPa）下实现了0.8 kHz以下低频扩散反射与0.8-2.5 kHz宽带声衰减（吸声系数>0.8）。结构在压力下声学性能衰减率仅4.5%/MPa，卸载后形变近100%恢复。结合声电类比降维模型与卷积神经网络视觉评估，建立了设计-评价一体化框架，为新一代水下声学蒙皮提供了可扩展策略。
引言：水下声学隐身的多重挑战与一体化设计新范式
海洋覆盖地球表面约71%，水下声学在声探测、隐身与操控等领域至关重要。实现有效的低频宽带声波吸收与扩散反射是声隐身技术的核心，但该领域发展仍滞后于空气介质中的振动与噪声控制。水下声衰减面临两大根本矛盾：一是空气-水阻抗差异削弱了声学超材料（Acoustic Metamaterials, AMs）的低频衰减优势；二是材料的声学性能在静水压下急剧下降，而传统蜂窝增强构型在尺寸与压力适应性上存在局限。此外，现有研究多针对单一目标（如声衰减），忽视了声隐身所需的多目标优化，且声吸收、散射与承载之间存在显著的阻抗调制拮抗。
针对上述挑战，本研究基于前期在局部共振机制、阻抗匹配特性及深度神经网络逆设计方面的工作，融合仿生理念，提出一种力学鲁棒与声隐身一体化的水下复合材料结构。结构设计灵感来源于跳蛛（Salticidae）液压跳跃的力学机制（液压传动与血淋巴粘性耗散）以及人类骨骼肌肉系统的生物力学原理，旨在同步解决静水压适应性与高效低频声衰减的跨学科难题。
结果
2.1 多功能耦合设计流程与评估系统
声学超材料在水下环境表现出与空气中根本不同的材料和结构行为。本研究建立了一个协同设计框架，从结构几何、材料组成、功能响应和质量评估四个维度协同优化。该框架通过双物理机制——局部共振调制与宽带阻抗匹配——实现了声学功能（声衰减与扩散反射）与结构完整性（耐压性与鲁棒性）之间的前所未有的协同，克服了水下超材料开发的历史二分法。
结构体系包含三部分：1）多功能基体，主导声波吸收与结构承载（声阻抗梯度与应力重分布）；2）并联骨架，实现能量耗散与静水压适应（压力自适应拓扑）；3）共振散射体，实现多功能协同（热粘性耗散与耦合振动）。材料选择采用双相系统研究，对比合成聚合物（聚氨酯，PU）与仿生水凝胶。PU基体通过控制肖氏硬度梯度（70–92 A）和精确添加空心玻璃微珠（9 vol%）来解耦声学-力学相互依赖关系。水凝胶则通过可编程聚合物网络交联密度实现90%的声阻抗透明性（Z = 1.67 MRayl vs. 水的1.5 MRayl），优化了水-材料界面的声波透射。
利用从蜘蛛液压驱动机制和人体肌肉骨骼系统衍生的仿生设计框架，开发了宏观工程复合材料。该设计协同局部共振现象与阻抗梯度失配，诱导波型转换驱动热耗散。同时，基于空气介质AMs，提出针对性的局部共振策略，通过机械能存储和频率选择性耗散机制增强亚波长尺度低频衰减。结构被等效为谐振弹簧-质量界面，通过目标振型耦合将固有频率移至低频区。
研究还阐明了类蜘蛛超材料架构中的几何-功能相互作用。仿水下复合材料结构将蛛形纲动物启发的弹性包裹体嵌入PU基体中，通过阻抗梯度失配实现径向机械能耗散，展示了通过波型转换机制和多尺度界面阻尼增强的低频声衰减（0.2–2 kHz）。利用声电类比进行等效电路分析，将生物启发复合系统（类蜘蛛弹性核心和PU基体）视为阻抗并联拓扑，可通过并联电阻等效机制分解为离散的能量耗散路径。旋转对称性（C4）使得二维抽象假设成立，并基于此建立了数值计算-数据增强通道，生成用于训练卷积神经网络（CNN）的二维图像数据集，从而通过机器学习衍生的几何-功能关联获得映射模型，最终集成了定量性能指标（吸声系数）与可视化平台的质量评估界面。
2.2 类蜘蛛异质结构的设计理念与分析策略
跳蛛通过专门的液压肢体伸展机制展现出非凡的跳跃能力。受其运动的热力学耦合生物力学启发——快速加压过程中血淋巴的粘性耗散会导致瞬时温度升高——我们设计了一种类蜘蛛异质结构。入射波传播会在介质界面诱导多模态振动能量转换，其中动能在耗散热转换（通过非保守界面相互作用）和保守存储为材料内弹性势能之间分配。这种亚稳态平衡经历快速的分层能量再分布，存储的势能部分转化为动能，而剩余能量则通过由分子尺度非谐相互作用控制的内在粘弹性弛豫途径耗散。这种能量耗散动态系统通过阻抗介导的声能-机械能传输以及随后的介质间动力学驱动的热化来实现声衰减，建立了由非平衡热力学支配的自持续能量转导连续体。
图2b展示了结构制备逻辑及各组件尺寸。本研究通过理论、仿真和实验相结合的方式研究结构的声衰减性能。具体而言，采用多物理场耦合策略进行结构离散化分析，随后通过传递矩阵法（Transfer Matrix Method, TMM）系统确定复合结构的吸声系数。值得注意的是，传统TMM主要适用于线性排列的基本晶胞，在表征本文开发的多尺度非线性架构时效果有限。为克服此限制，我们将声电类比与TMM集成以建立结构等效性。该框架将开发的多尺度非线性架构分解为离散的线性子单元，将计算精度提高了约50%。
2.3 基体压力适应性与微观类比
本节系统评估了多参数基体材料筛选平台（图1a）的性能指标。分析优先考虑系统在0.1 MPa静水压（相当于10米水深）下的声学性能，此时应变接近1%，因此适用线弹性本构模型进行声-固耦合分析。使用电-机械万能试验机和水压测试系统，系统分析了多个应力状态下的模量和泊松比，展示了材料模量和泊松比的统计验证演化。同时，PU基材料的形变恢复特性使其具备压力自适应功能。软/硬段和填料分散均匀性以及界面完整性的微观类比，揭示了加工参数与力学性能之间的强相关性。
为解决优化的声阻抗匹配和有效声衰减的双相性能要求，我们提出了优先选择与水体具有优异声阻抗匹配的材料的策略。水凝胶因其水声特性（ρc ≈ 1.5 MRayl）和可调粘弹性成为表面层的候选材料。完整与有缺陷水凝胶试样的系统比较揭示了不同的力学行为，结构缺陷导致机械稳定性显著降低。统计分析证实，14 wt%的聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶的弹性模量约为146 kPa。
与空气介质相比，超材料系统的水下声学特性表明，声传播现象成为性能的关键决定因素。将具有高声传输系数和良好分子热动力学的粘弹性材料作为基体组分，是确保有效水下声衰减的关键前提。本研究采用PU和水凝胶作为代表性材料体系研究压力适应性能，建立了一个比较框架来类比关键材料特性在不同静水压下的参数变化趋势。
实验方法采用分段分析框架，其中混合PU（肖氏70A，90A）的多级压缩分析能够通过图3b–e进行机理解耦。这些不同的变形状态对应于：1）线弹性状态（ε < 1%），表现出最小的静水压耦合效应；2）非线性粘弹性状态，表现出压力调制的模量演化。实验表征揭示了材料系统之间不同的压缩响应：70A PU复合材料的压缩模量接近10 MPa，而90A配方接近20 MPa。基于图3c的结果，我们分析了三种材料在循环加载下的变形：90A PU、其与玻璃微珠的复合材料以及通过增材制造的92A PU。在模拟近水面条件下，PU基复合材料表现出线弹性行为。此阶段载荷主要由软段相承担，导致相对较低的模量。为了简化分析并解耦粘弹性聚合物的非线性变形，我们提出了一个受定积分法启发的假设：宏观非线性区域可以描述为一系列小范围的线性变形段。这使我们能够推导出大变形下模量的变化。
相反，在初始非线性阶段，应力集中在硬段相，主要承载作用从软段相转移到硬段相，导致模量急剧增加。上述分析确定了PU压缩力学中的两个控制参数：1）内在粘弹性可压缩性；2）卸载后的形变恢复和可重复使用性。这个多尺度框架定量地协调了宏观模量变化与微观结构演化机制。
PU弹性体在0至15 MPa压力范围内的体积压缩行为被系统研究。通过计算分析定量确定压力相关的泊松比ν。在2.5-15 MPa压力范围内的体积分析显示平均压缩变化率为2.12%，泊松比演化渐近稳定。
所描述的力学行为可以通过每个变形阶段的宏观分析来解释。在0至2.5 MPa的初始应力下，90A PU的模量逐渐增加到最大值，然后下降或趋于稳定，同时表现出较低的泊松比。这使材料能够经历大幅体积压缩而不失去结构完整性。在渐进机械加载下，PU过渡到模量和泊松比动态演化的高级变形状态。材料的模量逐渐增加，而其泊松比逐渐收敛到一个稳定值。这反映了向稳态机械状态的过渡。微观结构分析阐明了在0.1至1 MPa之间观察到的PU模量急剧上升的起源。材料包含多分散的微米级硬段相，其相对于周围软段的空间分布创造了不同的应力路径。
随后，将9 vol%的空心玻璃微珠掺入混合PU基体中。复合试样经过压缩测试以确定其弹性模量和体积压缩特性。研究表明，在PU中加入空心玻璃微珠显著提高了其压缩模量。在0.1 MPa应力下，模量上升到纯材料的313%。然而，当应力增加到1 MPa时，模量下降到原始PU值的90%。在1 MPa以上的应力下，与未改性材料相比，模量平均降低约30%。此外，玻璃微珠的加入使PU的体积压缩比增加了2.5倍。宏观压缩测试表明，玻璃微珠在PU中的增强效应在低应力水平下最为显著。与几乎不可压缩的弹性体PU和高强度脆性玻璃不同，含有封装空气的空心玻璃微珠表现出显著受损的机械强度。从成分角度看，加入玻璃微珠降低了复合系统中的PU含量，从而降低了泊松比。微观分析显示，空心玻璃微珠在PU基体内随机分散。在低应力水平下，玻璃微珠代替硬段帮助支撑软段内的载荷，导致压缩模量显著上升。随着应力增加，跨尺寸变体的颗粒团聚诱发微尺度应力集中，在临界应力阈值触发玻璃微珠的过早断裂。这种断裂级联传播界面不稳定性并放大复合材料内的结构异质性。降解现象间接降低了压缩模量、泊松比和其他表征力学性能的参数。
为应对这些限制，我们实施了PU的精密增材制造。准静态压缩测试显示，在0.1-1 MPa应力范围内，PU模量大约翻倍，然后在更高应力下基本保持恒定。同时，其泊松比逐渐增加，渐近地接近0.475的极限值。精密增材制造的PU与传统对应物相比，表现出增强的连续性和稳定的机械性能。在极端加载下，材料中会形成微孔，这归因于局部分子链断裂或滑移的不完全弹性恢复。然而，极少的气体截留对材料的可重复使用性影响可忽略。
PU基复合材料在循环加载测试中表现出分层现象，但所有三种材料在五次循环后保留了超过90%的瞬时回弹。任何微小的残余变形在24小时内通过延迟弹性恢复几乎完全恢复，确保了可靠的压力适应性。
在静水压可忽略的近表面水生环境中，采用具有优化声阻抗匹配的水凝胶表面层可以实现近乎完美的声波通过水-材料界面传输。水凝胶合成方案、相应的分子交联机制和力学性能表征表明，14 wt% PAAm水凝胶在加载下的压缩模量为146 kPa，比肖氏70A PU低约两个数量级。同时，该材料在46%应变时表现出脆性破坏，特征是在单轴压缩下灾难性破碎和完全失去稳定性。这揭示了其无法动态重构以进行静水压适应的固有缺陷。边界缺陷显著降低了压缩强度，并证明了压力下缺陷驱动的机械失稳。总之，水凝胶在与水体声阻抗匹配方面表现出优越性，并具有高结构可设计性。然而，其在静水压适应性和对温度/湿度的环境敏感性方面存在关键限制。尽管如此，由于其优异的声衰减性能，水凝胶仍然是近表面声学结构的有希望的候选材料。
2.4 通过肌肉-骨骼类比实现的力学鲁棒性增强
为水下航行器流线型表面设计耐压声学蒙皮需要解决复合系统中的多尺度结构适应性。蜂窝结构在先前研究中作为平衡机械稳定性与声衰减性能的最佳构型出现。然而，传统蜂窝结构面临固有的声学缩放约束，其承载能力与声吸收受限于胞壁厚度比，最终限制了在大规模流线型系统中的应用。此外，尺度限制进一步限制了蜂窝结构的设计灵活性。
异质机械骨架通过可编程几何形状克服了传统蜂窝结构的限制。通过集成弹性体组件，该设计同时增强了机械鲁棒性和声学阻尼，解决了水下表面工程中持续的声学-机械折衷问题。如图4a所示，人体集成了两个分层组织相——结构相和机械适应相——它们协同维持生物力学完整性。生物体通过骨骼运动的神经肌肉调节实现环境适应。这个过程涉及肌筋膜驱动产生压缩力以驱动动态姿态重构。本研究通过模仿上述内容，分层集成了声学-机械系统。
为水下航行器设计的超材料蒙皮必须适应不同潜深下静水压的动态变化。这种压力响应行为类似于人体内的生物稳态。我们使用纤维增强复合材料设计了一个承载骨架，该材料协同集成了低密度、优异的机械强度和声传输能力。受椎骨启发的内骨骼架构和仿肋骨的外骨骼对应部分以纤维增强复合材料为主要结构材料，由压力响应型PU基体互连，以实现动态压力适应和声能耗散。增强结构包含三个功能梯度组件：1）用于结构强度的碳纤维增强复合材料椎骨启发架构；2）用于抗冲击和可控吸湿膨胀的玻璃纤维-尼龙复合材料肋骨架；3）提供粘弹性阻尼和载荷重新分布能力的中间PU夹层。因此，我们开发了三种不同的机械架构：裸露的椎骨启发骨架、其PU浸润对应物以及具有PU基体耦合的轴向骨架组件。
为了评估机械骨架的动态静水压适应性，我们测量了F1-F3原型在压力加载下的等效压缩模量。先前研究表明，弹性体-刚性框架复合材料在3 MPa静水压下能够承受材料驱动的局部失效。鉴于结构边界条件与全海深环境模拟装置的限制不同，我们对三个试样进行了准静态压缩测试，重点关注结构弹性变形。在有限元分析验证后，我们模拟了从1到6 MPa的静水压加载。基于正态分布原理，1.66 mm的位移中位数作为代表性压缩量。系统地排除静水压加载下的局部变形效应，以确保实验-模拟一致性，从而能够严格量化线弹性域内的等效压缩模量演化。
实验和数值分析表明，碳纤维增强复合材料F1实现了94.28 MPa的等效压缩模量。实验测量与有限元模拟结果非常接近，差异小于2%。在面外压缩加载下，碳纤维管同时经历厚度方向压缩和面内膨胀。这种变形行为归因于管状结构两端无约束的横向边界。这种力学行为类似于由肌肉萎缩或张力减退引起的结构性脊柱侧弯。在碳纤维管周围实施外围弹性PU增强，有效模仿了生物系统中通过肌肉强化实现的补偿机制。此外，集成在中央实心碳管顶部的十字形板增加了平面压缩加载的承重表面积，但在不对称加载条件下可能表现出结构易屈曲不稳定性。这些限制通过在基底界面实施战略性PU增强得到有效解决。
为了优化机械性能，F2复合架构通过用弹性PU封装碳纤维内骨骼而开发。该结构的等效压缩模量为96.68 MPa，相对于未增强的内骨骼系统，机械鲁棒性提高了2.5%。虽然力学性能仅表现出适度的2.5%增强，但面内膨胀变形大幅减少，从而提高了稳定性。实验和模拟结果显示出1.2%的偏差，观察到的差异在实验公差范围内。然而，作为一种几乎不可压缩的材料，弹性PU在承受面外加载时，特别是在自由结构边缘，会发生明显的面内膨胀。这种应变引起的几何畸变严重损害了结构鲁棒性。
尽管柔性壳结构阵列表现出增强的压力适应性，但在复杂水下环境中难以保持边界完整性。在深水条件下，静水压效应可能诱发水通过结构间隙渗透。为应对这些挑战，我们采用仿生设计策略开发了PU封装的外部框架。该配置模仿肋骨的器官保护、结构加固和肌肉锚定界面。这种结构设计对PU施加了位移约束，以抵消变形矢量，从而增强了材料的平面外承载能力，同时提高了复合系统的机械鲁棒性。玻璃纤维的羟基丰富表面使其能够通过氢键与环境水分进行吸湿。这种湿气诱导的吸湿膨胀产生压缩应力，促进阵列架构内的自锁，从而激励选择尼龙-玻璃纤维复合材料进行结构制造。
整体配置F3的等效压缩模量为100.08 MPa，实验与模拟之间的误差为2.2%，在误差容限内。此外，结构优化使F3的机械鲁棒性相比F2提高了3.4%，同时加载下的径向位移减少了64.5%。这种改进通过解耦的变形机制同时实现了均匀的周向应变分布：碳纤维管排列不再主导全局变形模式，而PU则消除了局部应力集中。
相比之下，F3在静水压下的数值模拟揭示了与准静态条件下不同的变形特性。位移云图显示了由组件间机械异质性引起的应变局部化模式，表现为压缩界面上的不同位移梯度。首先，统计中位数分析表明，碳纤维增强骨架在1.66 mm压缩位移下保持弹性行为，实验验证确认了不存在塑性变形或屈曲失效模式。离散分析显示，在1-6 MPa静水压加载下，F3的最大位移主要来源于柔顺的PU基体。碳纤维增强复合材料表现出最小的位移，在6 MPa下通过应变能分配保持了近100%的结构完整性。其次，静水压加载在PU基体内诱发持续的面内应变局部化，表现出各向异性收缩模式，尽管压力分布均匀。应力主要集中在碳纤维管间距较大的区域，那里减弱的PU支撑效能导致局部压缩应变。由于材料几乎不可压缩的特性，这种面外压缩现象通过泊松效应诱发了显著的面内横向膨胀。定量地，膨胀位移表现出线性压力依赖性，随着静水压从1 MPa增加到6 MPa，膨胀位移从0.3 mm增加到1.2 mm。最后，静水压加载诱发了显著界面效应，主导了面外变形模式。刚性材料和柔顺材料之间的界面压缩可忽略不计。然而，面外位移沿PU基体传播路径表现出渐进放大。面外压缩与面内膨胀在PU/尼龙-玻璃纤维界面耦合，特别是在碳纤维贫
