近日，由中国科学院力学研究所和中国科学院大学联合组建的超常环境⾮线性⼒学全国重点实验室在无线传感医疗植入物研究和声子统一理论研究方面取得重要进展，研究成果分别发表于Nature和Nature Physics。
提出远距离监测生理信号的柔性可降解无线传感平台
超常环境⾮线性⼒学全国重点实验室苏业旺研究员团队与清华大学生物力学所李爽博士、香港城市大学于欣格教授合作提出了一种柔性、可降解的无线传感平台，该平台可在远距离（例如16 cm）下监测多种生理信号，并在大范围的测量距离和角度下均能保持信号准确性（图1）。该工作以“Soft biodegradable implants for long-distance and wide-angle sensing”为题发表于Nature。
图1 柔性可降解无线传感平台及其信号示意。（a）柔性可降解无线传感平台的工作场景；（b）读取器和传感器的电路与结构；（c）标准系统和本系统的信号对比
现有的体内临床数据获取方法，如磁共振成像（MRI）、计算机断层扫描（CT）、正电子发射断层扫描（PET）和超声成像，对于诊断肿瘤、心脑血管疾病及骨科疾病等多种病症至关重要。然而，这些手段主要获取解剖图像、代谢活动及间接计算的数据，信息类型范围有限。植入式器件的出现提供了新的可能性，使得原位监测压力、温度、pH值等成为现实。然而，这些器件大多依赖于芯片、强磁体、电池及其他不可降解的组件，带来了二次手术伤害的风险。近年来报道的可生物降解植入物显示出解决这一问题的潜力，它们利用无源电感-电容（LC）谐振电路来简化电路以避免不可降解的组件。LC电路将生理参数转换为谐振频率的变化，可通过非谐振电感耦合读取器（即标准读取系统）进行测量，然而需要很近的读取距离（通常小于3厘米）。宇称-时间（PT）对称和高阶PT对称的读取系统可通过频率分岔增加读取距离，但此类技术高度依赖于传感器与读取器之间距离和角度的严格控制，以确保标定关系保持不变，而这在临床环境中更难实现。
本工作的核心创新在于设计了“极点移动扫描”的读取系统（图2），其动力学特性与上述在频率扫描过程中极点保持固定的传统系统本质不同，所需耦合率可低至10的-5次方量级（较标准系统降低1-2个量级），突破了当前无源无线传感技术中存在的读取距离与鲁棒性两大瓶颈。此外，力学-电磁学协同的一体式折叠结构设计解决了在保持柔性与可降解性的同时实现高性能电磁功能的难题（图3）。在马腹腔内进行的体内实验可靠地捕获了深层组织的压力和温度变化，而无需严格位置控制，展现了该平台在难以精确定位深部组织传感器的实际临床环境中的显著优势。该平台有望作为现代医学影像技术的一种有效补充，可应用于腹内高压重症监护、心脏搭桥术后监测、脑疾病重症监护等多种医疗场景。
图2 无线传感平台的读取系统设计。（a）用耦合模理论描述的系统；（b-g）不同系统的零点-极点图和读取信号对比
图3 无线传感平台中传感器的一体式折叠结构设计
论文的第一作者为超常环境⾮线性⼒学全国重点实验室博士生蓝昱群。通讯作者为苏业旺研究员、香港城市大学于欣格教授和清华大学生物力学与医学工程研究所李爽博士。中国科学院动物所顾奇研究员和博士生郭海涛、中国农业大学李靖教授和朱怡平副教授等、中国科学院理化所吴雨辰研究员和李辉博士、中国科学技术大学高寒飞研究员、以及力学所刘沁园等多位博士生参与了该工作。该工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院从0到1原始创新计划和中国科学院交叉学科创新团队等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09874-3
提出超越德拜的声子统一理论
声子是晶格振动能量量子化的准粒子，其概念经历爱因斯坦、德拜、波恩、冯·卡门等发展，由弗仑克尔在1932年正式提出。其中，德拜理论因形式简洁、物理清晰在历史上具有举足轻重的支柱地位，但仅适用于线性色散声子。超常环境⾮线性⼒学全国重点实验室蒋敏强研究员团队突破德拜理论局限性，建立了考虑非线性散射效应的固体声子统一理论。相关成果以“Unified theory of phonons in solids with phase diagram of non-Debye anomalies”为题发表在Nature Physics，并选为当期封面论文。
为解决杜隆-珀替定律无法解释固体比热在极低温趋于零的矛盾，爱因斯坦在1907年应用普朗克的量子假说将晶格振动能量量子化（后被发展为“声子”概念），但由于忽略了声子耦合效应，他建立的理论仅与实验定性符合。1912年，德拜改进爱因斯坦理论，假设低频声子为连续介质弹性波，推导出低频振动态密度与频率平方成正比，从而定量解释了与实验相符的低温比热趋于零的现象。
尽管如此，经典德拜理论存在两大局限性：一是当振动波长趋于晶格常数时，晶格的长程周期性导致声子态密度出现一些数学上不可导奇点，即范霍夫奇点（Van Hove singularity, VHS）；二是当晶格失去长程周期性时，低频声子偏离德拜预测出现态密度过剩而形成玻色峰（boson peak, BP）。这些非德拜声子异常对固体的低温比热、热传导、超导甚至力学等特性具有显著影响，从而引起固体物理、力学和材料等领域的广泛关注。过去几十年，关于玻色峰的物理起源及其与范霍夫奇点是否等效存在长期的尖锐争议。
针对此学术争议，研究团队从声子散射物理规律入手，理论推导了多自由度晶格振动的阻尼系数，以及考虑阻尼软化的声子频率-波数色散关系，实现了从低波数瑞利散射到高波数米氏散射转变的光滑描述，从而将德拜线性色散拓展至非线性空间。在声子动力学格林响应函数框架下，得到了可统一描述有序晶体和无序固体（玻璃等）的声子态密度解析表达。在此基础上，研究团队以散射体特征尺寸和散射声子平均自由程为参数空间，构建了非德拜声子异常的全景相图（图4）。分析发现，如果声子色散呈现非线性连续软化，则玻色峰和范霍夫奇点可由同一实体演变为高度耦合且可相互转换的两个变体；如果声子强烈散射导致色散出现额外的局域共振软化，则玻色峰和范霍夫奇点可作为完全不同的现象而独立地同时涌现，两者共存的相边界可由理论精确确定。最后，研究团队还计算了非德拜声子异常引起的低温比热行为，并得到涵盖有序晶体到无序玻璃的143个真实固体的实验数据证实（图5，其中55个数据由本工作测量得到），这表明建立的声子统一理论具有广泛的普适性和有效性。
图4 基于声子统一理论构建的非德拜异常（玻色峰和范霍夫奇点）全景相图
图5 声子统一理论得到143种真实固体的低温比热数据验证
上述发现不仅澄清了玻色峰的物理起源及其与范霍夫奇点的关系，还加深了对拓扑有序或无序固体连续介质弹性极限的基本理解。
论文第一作者为超常环境⾮线性⼒学全国重点实验室特别研究助理丁淦博士，通讯作者为蒋敏强研究员。该研究得到了NSFC青年科学基金项目（A类）、卓越研究群体项目（A类）和重点国际合作研究项目等资助。
论文链接： https://www.nature.com/articles/s41567-025-03057-7
关于超常环境⾮线性⼒学全国重点实验室
超常环境⾮线性⼒学全国重点实验室由中国科学院力学研究所和中国科学院大学联合组建；力学所为第一依托单位，国科大为第二依托单位。双方将基于该实验室整合各自在⾮线性⼒学领域的优势资源和研究⼒量，开展深度科教融合，⽀持相关学科建设，形成可持续的⾼效协同创新机制，提升我国在⾮线性⼒学领域的原始创新能⼒。
