IMDEA材料研究所的研究团队与中国南京大学、华中大学合作，研制出一种新型声学超材料，可在水与空气之间实现复杂声信号的直接传输。相关成果发表在题为《高维复用超材料用于跨介质全声通信》的论文中，为提升水下通信能力并拓展从海洋监测到医学成像等多种应用场景提供了新思路。

声波在水和空气中的传播机制存在显著差异，两种介质在密度、声速等声学参数上相差巨大。这种声学阻抗不匹配会导致大部分声波在水-空气界面被反射，而不是穿透，从而严重限制了跨介质声通信的效率。

目前常见的工程方案通常依赖浮标或船只等中间平台，将水下声信号转换为无线电信号，再通过空气传输。该流程不仅设备和维护成本较高，传输速度也受到限制，同时还容易受到电磁干扰的影响。

高维复用声学超材料“桥梁”

为突破这一瓶颈，研究团队设计了一种高维复用（HDM）声学超材料，用作水与空气之间的无源声学“桥梁”。与传统材料通常只能调控声波一到两个参数不同，这种新结构可以同时调制声波的振幅、相位、频率以及轨道角动量（OAM）四个关键维度。

相关研究发表于期刊《Materials Horizons》。

IMDEA材料研究所的Johan Christensen教授（论文作者之一）表示：“我们已经证明，所提出的HDM超材料可以在无需外加能量、结构紧凑且高效的条件下，调制跨水-空气声波的所有维度，包括振幅、相位、频率和轨道角动量。”

他进一步指出：“得益于这种高维特性，该超材料能够在不同介质之间同时实现空间与频谱复用信号的中继和解调，大幅提升信道容量和频谱利用效率。”

实验验证与性能表现

多维度的精细控制显著增加了可承载的信息量，从而提升了通信信道容量和频谱效率。在实验中，研究团队将该超材料作为无源“超中继器”使用，实现了从水下声源向多个空中接收端实时传输复杂图像的演示。

实验系统支持四个彼此独立的通信信道，比特误码率极低，远低于前向纠错门限的十分之一。同时，系统在背景噪声存在以及水面波动条件下仍表现出良好的鲁棒性。

由于整个过程完全基于声波传输，无需将信号转换为无线电形式，这一方案在安全性和可靠性方面也具有潜在优势。

Christensen教授评价道：“基于HDM超材料的技术，为复杂跨介质环境中的声波调控提供了一种全新的范式。”

他补充说：“除了水下通信和海空协同作业，这项技术在经颅超声成像等特定医疗场景，以及面向万物互联的下一代通信系统中，都可能产生深远影响。”

在谈到合作时，Christensen教授特别强调：“这项成果离不开多方卓越合作，尤其要感谢南京大学梁斌教授及其团队，他们最早提出了这一研究构想，并与我们紧密协作推动项目落地。”