瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究团队成功地利用声波来引导水面上的漂浮物体，展现出一种新颖且受光学启发的方法。这一技术在生物医学领域具有广阔的应用前景，尤其是在非侵入性靶向药物输送方面。
2018年，亚瑟·阿什金因其发明的光学镊子（用于操控微观粒子的激光束）获得诺贝尔物理学奖。尽管光学镊子在许多生物应用中非常有效，但其工作需要在高度受控的静态环境中进行。
“光学镊子的原理是通过创造一个光‘热点’来捕捉粒子，类似于一个球掉入一个洞中。然而，当周围有其他物体时，这个洞的形成和移动就变得困难，”EPFL工程学院波浪工程实验室主任罗曼·弗勒里表示。
弗勒里与博士后研究员巴赫蒂亚尔·奥拉兹巴耶夫和马蒂厄·马尔萨杰在过去四年中一直在探索如何利用声波在动态环境中移动物体。实际上，该团队的方法——波动量成形——与物体的环境及其物理特性无关，唯一需要的信息是物体的位置，其他的则由声波完成。
弗勒里解释道：“在我们的实验中，我们并不是捕捉物体，而是轻轻推动它们，就像用曲棍球棒引导冰球一样。”
这一非常规方法得到了瑞士国家科学基金会（SNSF）Spark项目的资助，并与来自法国波尔多大学、哈萨克斯坦纳扎尔巴耶夫大学和奥地利维也纳理工大学的研究人员合作，成果发表在《自然物理》杂志上。
简单而富有前景
在弗勒里的比喻中，声波就像曲棍球棒，而漂浮的乒乓球则是冰球。在实验室中，这个球漂浮在一个大型水箱的表面，其位置由上方的摄像机捕捉。水箱两端的扬声器阵列发出的可听声波引导球沿预定路径移动，而另一组麦克风阵列则“听取”反馈，即散射矩阵，因其从移动的球反弹回来。这个散射矩阵与摄像机的位置数据结合，使研究人员能够实时计算声波推动球的最佳动量。
弗勒里表示：“这种方法基于动量守恒，使其非常简单且通用，这也是其前景广阔的原因。”
他补充道，波动量成形的灵感来源于波前整形的光学技术，该技术用于聚焦散射光，但这是该概念首次应用于物体移动。更重要的是，该团队的方法不仅限于沿路径移动球形物体，他们还用其控制旋转，并移动更复杂的漂浮物体，如折纸莲花。
模拟体内环境
一旦科学家成功引导了乒乓球，他们便会用固定和移动的障碍物进行额外实验，以增加系统的不均匀性。成功让球绕过这些散射物体表明，即使在像人体这样的动态、不受控制的环境中，波浪动量塑造也能表现良好。弗勒里补充说，声音是一种特别有前景的生物医学应用工具，因为它无害且无创。
“一些药物输送方法已经利用声波释放封装药物，因此这种技术在将药物直接推向肿瘤细胞方面特别有吸引力。”
这一方法也可能改变生物分析或组织工程应用的游戏规则，因为在这些应用中，通过触摸细胞来操作细胞可能会造成损伤或污染。弗勒里还看到了3D打印在波动量塑造中的应用，例如，在将微观颗粒固化成物体之前对其进行排列。
最终，研究人员相信他们的方法也可以结合光的使用，但他们的下一个目标是将基于声音的实验从宏观扩展到微观。他们已经获得国家科学基金会的资助，计划在显微镜下进行实验，利用超声波移动细胞。
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