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用声音精确移动物体
EPFL研究人员通过声波操控浮动物体，展示了其在生物医学应用中的巨大潜力，如无创靶向药物递送。
EPFL的研究人员成功地利用声波在水中障碍赛道上引导浮动物体。他们的创新方法受光学启发，在生物医学应用方面，如无创靶向药物递送，具有巨大前景。
2018年，Arthur Ashkin因发明光镊而获得诺贝尔物理学奖：这是一种可以操控微观颗粒的激光束。尽管光镊在许多生物学应用中非常有用，但其工作需要极其受控和静态的条件。
“光镊通过创造一个光的‘热点’来捕获颗粒，就像一个球掉进洞里一样。但如果附近有其他物体，这个洞就很难创建和移动，”EPFL工程学院波工程实验室的负责人Romain Fleury说。
Fleury和博士后研究员Bakhtiyar Orazbayev和Matthieu Malléjac在过去四年里致力于利用声波在不受控、动态环境中移动物体。事实上，团队的方法——波动量塑形——完全不受物体环境或物理特性的影响。所需的所有信息只是物体的位置，声波会完成剩下的工作。
“在我们的实验中，我们没有捕获物体，而是像用曲棍球棒引导冰球一样轻轻推它们，”Fleury解释道。
这一由瑞士国家科学基金会(SNSF)的Spark项目资助的非传统方法，已与法国波尔多大学、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，发表在《自然物理》上。
简单而有前景
如果声波是Fleury比喻中的曲棍球棒，那么浮动的物体就像冰球。在实验室的实验中，球漂浮在一个大水箱的表面，其位置由一个悬挂在上方的摄像机捕捉。水箱两端的扬声器阵列发出可听声波，引导球沿预定路径前进，而第二阵列的麦克风“监听”反馈(称为散射矩阵)，随着移动的球反弹。这一散射矩阵结合摄像机的位置信息，使研究人员能够实时计算声波推动球前进的最佳动量。
“这一方法基于动量守恒，这使得它非常简单和通用，这也是它如此有前景的原因，”Fleury说。
他补充道，波动量塑形受波前塑形的光学技术启发，用于聚焦散射光，但这是第一次将这一概念应用于移动物体。更重要的是，团队的方法不仅限于沿路径移动球形物体：他们还利用它控制旋转，并移动更复杂的浮动物体，如折纸莲花。
模拟体内条件
在成功引导乒乓球后，科学家们进行了额外的实验，使用静止和移动障碍物增加系统的不均匀性。成功引导球绕过这些散射物体，证明波动量塑形即使在像人体一样的动态、不受控环境中也能很好地运行。Fleury补充道，声波作为一种工具在生物医学应用中特别有前途，因为它是无害且无创的。
“一些药物递送方法已经使用声波释放封装药物，因此这一技术对于将药物直接推向肿瘤细胞等特别有吸引力。”
该方法对于生物分析或组织工程应用也可能带来革命性变化，在这些应用中，通过接触操控细胞会导致损伤或污染。Fleury还看到波动量塑形在3D打印中的应用，例如在固化成物体之前排列微观颗粒。
最终，研究人员相信他们的方法也可以用光来实现，但他们的下一个目标是将基于声波的实验从宏观扩展到微观尺度。他们已经获得SNSF的资助，在显微镜下使用超声波移动细胞。