研究人员成功地利用声波引导漂浮物体穿过水上障碍赛道。这一创新技术受光学启发，显示出在医学领域的巨大潜力，如精准药物递送。
2018年，亚瑟·阿什金因创建光学镊子而获得诺贝尔物理学奖，光学镊子是可以操纵微小粒子的激光束。尽管光学镊子对各种生物任务有益，但它们在有效工作时需要高度控制和稳定的条件。
“光学镊子的工作原理是形成一个光的‘热点’来捕捉粒子，类似于一个球掉进一个洞里。然而，在其他物体存在的情况下，创建和移动这个‘洞’变得很有挑战性，”洛桑联邦理工学院工程学院波动工程实验室负责人罗曼·弗勒里解释道。
弗勒里与博士后研究员巴赫提亚尔·奥拉兹巴耶夫和马修·马列扎克过去四年来一直致力于使用声波在不可预测的动态环境中移动物体。他们的方法，称为波动动量塑形，受物体周围环境或物理特征的影响很小。所需的只是物体的位置，声波将处理其余的事情。
“在我们的实验中，我们不是捕获物体，而是温和地引导它们，就像用冰球杆操控冰球一样，”弗勒里详细解释。
这一非常规方法得到了瑞士国家科学基金会（SNSF）Spark计划的支持，并与法国波尔多大学、哈萨克斯坦纳扎尔巴耶夫大学和奥地利维也纳工业大学的研究人员合作，在《自然物理》上详细介绍。
简单但有前景
如果我们把声波视为弗勒里的类比中的冰球杆，那么像乒乓球一样的漂浮物体就像是冰球。在实验室的试验中，球体漂浮在一个大水槽的水面上，其位置通过头顶摄像头监测。水槽两端的扬声器阵列产生的可听声波沿预定路径引导球体，而另一组麦克风“聆听”与移动球体互动时的反馈，被称为散射矩阵。通过将散射矩阵与摄像头的位置数据结合，研究人员能够实时计算出声波的最佳动量，以便在推动球体沿路径移动时使用。
“该方法基于动量守恒，使其变得非常简单和多功能，这也是它如此有前景的原因，”弗勒里指出。
他提到，波动动量塑形受到常用于集中散射光的光学波前塑形技术的启发。然而，这是首次将该概念应用于移动物体。此外，团队的技术并不仅限于引导球形物体沿路径移动；他们还利用它来管理旋转，操作更复杂的漂浮物体，如折纸莲花。
模拟内部条件
在成功引导乒乓球后，研究人员进行了额外的实验，涉及静止和移动的障碍物，旨在给系统引入复杂性。通过安全地引导球体绕过这些散射物体，他们证明了波动动量塑形即使在动态、不受控制的环境中（如人体内）也能有效表现。弗勒里强调，由于声波的无害性和非侵入性，声波是一种有前景的医疗应用工具。
“某些药物递送方法使用声波释放封装药物，这使得该技术特别吸引人，能够精确引导药物例如朝着肿瘤细胞。”
该技术有可能改变生物分析或组织工程任务，在这些任务中，接触细胞进行操作可能会导致损伤或污染。弗勒里还设想了使用波动动量塑形进行3D打印的应用，例如在将微观粒子固化为物体之前整理它们。
从长远来看，研究人员认为他们的方法也可能对光有效，但他们的直接目标是将基于声波的实验从宏观转向微观。他们已经获得了SNSF资助，以在显微镜下进行实验，使用超声波移动细胞。
