水的地方就有波浪。但是，如果你可以让水波随你的意志弯曲来移动漂浮的物体呢？科学家们现在开发出一种技术，能够在水槽中合并波浪，产生复杂的图样，如扭曲的环和旋转的涡旋。有些图样像镊子或“牵引波束”一样固定漂浮的球体在原地不动。其他图样则使球体旋转并沿着圆形路径精确移动。未来，这项技术可以缩小到精确移动细胞大小的粒子进行实验，或者放大以引导船只沿着水面上的预定路径航行。
一个由新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）共同领导的国际科学家团队发现了一种操控水波的方法，使他们能够捕捉并精确移动漂浮的物体——几乎就像是有无形的力量在指引它们。
该方法涉及生成和合并水波，以创建复杂的表面图案，例如扭曲的环和旋转的涡旋。
实验室实验表明，这些图案能够吸引附近的漂浮物体，如小型泡沫球，其大小与米粒相当，并将其捕捉在图案之内。
有些图案像镊子或“牵引波束”一样将漂浮的球体固定在水面上，使其不会漂走。其他图案则使球体绕其中心旋转，并在图案内沿着圆形或螺旋路径进行精确移动。
与普通涟漪不同，这些波动模式即使在轻微外部波动的干扰下也能保持稳定
该技术使用现实世界中的物理学来控制和塑造水波，但这个效果类似于一种看不见的力量在移动物体，就像在流行的节目和书籍中虚构的那样。
这项突破性研究于2025年2月5日发表在《自然》科学杂志上，开启了以新方式使用水波的可能性。
例如，该技术可以进一步发展，以聚集在水面上漂浮的液体和化学品，从而使清理工作变得更加容易。
该方法还可以扩大规模，引导更大的漂浮物体，甚至是船只，沿着水面上的预定路径航行，即使它们没有工作的引擎。
“我们的发现是探索水波如何被塑造以移动物体的第一步，未来有许多潜在的应用，”来自南洋理工大学物理和数学科学学院以及电气与电子工程学院的助理教授沈毅杰说，他是该研究的共同负责人之一。
“我们已经证明水波可以用来精确移动像米粒一样小的漂浮物体。未来的研究可能会研究更小的波动，例如那些在细胞尺度上，大小小几百倍的波动，以及那些大得多的海浪，大小是千倍，”他补充说。
来自光的启示
塑造水波的技术是通过一个跨学科的努力开发的，这一努力受到沈教授之前工作的启发——利用光波创建复杂的结构或光模式。
他的团队早些时候显示，微小的干扰不会轻易摧毁这些光图案，并能将微小颗粒如酵母细胞和金属纳米粒子捕捉在其中。通过调整光波，被困在其中的颗粒也可以被移动，就像被无形的力量推动一样。
在他的研究过程中，沈教授意识到，由于水和光都可以作为波动移动，他的团队在光波上能够实现的成果可能也可以在水波上实现。
他寻求与研究光波的研究者以及研究水波的其他科学家合作，以证明他的理论。他面临的最大挑战是说服他们，因为两边的研究者都未曾考虑过他的想法。
沈教授最终赢得了来自中国和西班牙的合作者的支持，国际研究团队通过实验验证了他的假设。
该团队首先进行计算机模拟，然后在水槽中进行实验，使用部分浸入水中的各种3D打印塑料结构来创造波浪。
例如，这些塑料结构之一是一个环，连接着24根分布在周围的管道。管道链接到扬声器，通过低音嗡嗡声使环内的水面荡漾出波浪。
科学家们在水槽中放入一个小的漂浮聚乙烯泡沫球，并观察在波浪形成时球体的移动。每次测试的球体直径范围从4.8mm到12.7mm。研究人员还测试了一个直径为40mm的乒乓球。
通过调整水波的幅度和频率，以及改变部分波的相位，研究人员使波浪干涉、重叠并合并，从而在水面上产生复杂的图案。
这些图案将漂浮球体捕捉在其中，使其几乎静止，或围绕图案进行旋转，并精确沿着圆形或螺旋路径移动，偏差最多为2-4 mm。
“如果我们在水的图案中固定一个漂浮物体，我们可能也可以调整波动来移动这些图案和被捕捉的物体。这可能为我们提供一种将这些物体移动到水体特定位置的方法，”沈教授说，并提到在光波中观察到的类似现象。
巨大的潜在影响
他的团队计划下一步研究水下是否也能创建水模式，而不仅仅是在水面上移动沉没的物体。
科学家们还打算将水波技术缩小到微米级，以研究水面上的图案是否可以像镊子一样精确移动细胞和同样大小的粒子。这将允许在实验中把这些粒子靠近而无需设备直接接触它们。
该技术也可以放大，探索船只是否能够被引导到特定的位置或沿着水面上的预定路径。研究人员需要考虑来自自然海浪的干扰，因为这些海浪可能会摧毁水模式。
由于水模式不易受干扰，未来的研究可以探索利用水模式存储数据的可行性，就像计算机存储信息那样。水在图案中的涡旋行为与光波和电子的行为相似，这表明水波可以作为一种更易于接近的代理，研究在光波和电子中观察到的一些量子现象。
《自然》论文的一位独立匿名评审写道，这项研究可能产生“潜在的巨大影响……由于其基础特性”，并且“有广泛的领域可以从这项工作中受益”。
另一位评审表示，该论文“展示了非常激动人心的结果，可以为利用水波或类似流体波操控不同尺度的粒子运动提供有价值的洞见。”
