在这项工作中，作者提出了一种新的超介层超声传感材料，作者称之为小型化元结构水凝胶(metagel)，这是一种种柔软的声学超材料，并且在生物体内能够完全降解。以metagel作为植入物，可以通过外置超声探头无线监测丰富的颅内生理信号(压力、温度、pH值和流速)(图1a)。设计metagel为2×2×2 mm3的立方体，使用传统穿刺针辅助将其插入体内(图1b,c)。metagel在37℃的PBS溶液中在4个月内自然降解(图1d)。

metagel基于环境引起的微变形来感知颅内环境。它包括水凝胶基质和周期性气柱，形成具有可调声反射光谱的软声子晶体(图1e)。这种结构设计赋予了metagel非凡的声学反射特性。当超声波发射时(峰值频率为f0)，metagel以峰值频率f1反射这些。颅内环境变化引起元骨微变形，改变反射峰频率(f1+Δf)。通过在水凝胶基质上进行刺激响应功能化(压力响应、温度响应、ph响应等)，metagel可以通过跟踪反射超声波的峰值频移来跟踪环境变化(图1f)。

作者通过计算元板的能带结构，了解元板设计如何影响超声反射率。当晶格常数为a，填料直径为d时，可以通过求解具有Bloch边界的单个单元的特征值方程来计算metagel的带隙。在a=0.28 mm和d=0.196 mm的情况下，metagel的声带隙以8.2和9.2 MHz为中心(图1g)。当频率在这些带隙范围内的超声波传输到元板时，大部分能量将被反射，使元板很容易通过超声成像加以区分。metagel的带隙依赖于a和填充比(FR=d/a)(图1)，因此，metagel变形引起的a和FR变化表现为带隙变化。声场的有限元模拟可以显示由于metagel变形引起的反射峰频移。未变形元板反射声波的峰值频率约为9.13 MHz(图1j)，与图1g的带隙计算一致。由于生理环境的变化，元板发生变形，反射波的峰值频率移至9.76 MHz(图1k)。