西班牙IMDEA材料研究所的研究人员与南京大学和华中科技大学合作，开发出一种新型声学超材料，能够直接在水与空气之间传输复杂的声音信号。这项进展在论文《用于跨介质全声通信的高维多路复用超材料》中报道，可能显著改善水下通信技术，并实现海洋监测和医学成像等新应用。

声音在水和空气中的传播方式不同，因为它们的声学特性如密度和声速差异巨大。这种不匹配导致大多数声音波在水-空气边界被反射，阻碍高效通信。现代系统通常依赖中间设备如浮标，将水声信号转换为无线电信号进行中继，但过程昂贵、缓慢且易受电磁干扰。

为克服这一限制，研究人员设计了一种高维多路复用（HDM）声学超材料，作为水与空气之间声音波的被动桥梁。与传统材料通常只能控制声音一两个方面不同，新结构可以同时调制振幅、相位、频率和轨道角动量这四个关键维度。该研究发表在《Materials Horizons》期刊上。

“我们已经证明，所提出的HDM超材料能够以被动、紧凑和高效的方式调制跨水-空气声波的所有维度，包括振幅、相位、频率和轨道角动量，”IMDEA材料的Johan Christensen教授解释道，他是该出版物的作者之一。“得益于这种高维特性，这种超材料能够同时从一个介质中继和解调空间-频谱多路复用信号到另一个介质，这显著提高了信道容量和频谱效率。”

这种多维控制增加了可传输的信息量，提升了信道容量和频谱效率。在实验中，团队使用超材料作为被动“元中继器”，将复杂图像从水下源实时传输到多个空中接收器。该系统支持四个独立的通信信道，实现了非常低的误码率，同时对背景噪声和水面波动保持稳健。

由于该技术仅使用声波，无需转换为无线电信号，它还可能提供更高的安全性和可靠性。“这种基于HDM超材料的技术为在复杂跨介质系统中控制声波开辟了新的范式，”Christensen教授说。“除了水下通信和海空操作，它还具有深远的影响，从特定案例如经颅超声成像到新兴万物互联中的下一代通信系统。”“我还想强调这项研究背后的出色合作，特别是与南京大学的Bin Liang教授及其团队的合作，他们首先提出了这项研究，”Christensen教授总结道。

出版详情：作者：IMDEA Materials；标题：《Acoustic metamaterial can send complex signals directly between water and air》；发表于：《Materials Horizons》(2026)。