声波操控技术突破：从物体移动到生物医学应用

声波操控技术突破：从物体移动到生物医学应用

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员最近开发出一种利用声波精确操控浮动物体的新技术，这项突破性研究有望在生物医学领域带来革命性的应用，特别是在无创靶向药物递送方面展现出巨大潜力。

这项发表在《自然物理》杂志上的研究，由EPFL工程学院波工程实验室的Romain Fleury教授领导。研究团队通过创新的“波动量塑形”技术，成功地在水面上精确操控物体，使其沿着预定路径移动。这一技术突破不仅克服了传统光镊技术的局限性，更为未来的生物医学应用开辟了新的可能性。

2018年，Arthur Ashkin因发明光镊而获得诺贝尔物理学奖。光镊通过激光束捕获和操控微观颗粒，在生物学研究中发挥了重要作用。然而，光镊技术存在一个显著的局限性：它需要极其受控和静态的环境。正如Fleury教授所解释的那样，“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。”

相比之下，EPFL团队开发的声波操控技术则完全不受物体环境或物理特性的影响。他们没有试图“捕获”物体，而是像用曲棍球棒引导冰球一样，通过声波轻轻推动物体。这种基于动量守恒的操控方式，使得该技术具有极高的通用性和适应性。

在实验中，研究人员使用了一个装满水的大水箱，水箱两端安装有扬声器阵列，用于发射可听声波。一个悬挂在上方的摄像机负责捕捉漂浮物体的位置信息。当声波遇到物体时，会反弹并被水箱另一端的麦克风阵列接收，形成所谓的“散射矩阵”。通过实时分析散射矩阵和位置信息，研究人员能够计算出最佳的声波动量，从而精确控制物体的运动轨迹。

更令人印象深刻的是，这种技术不仅能控制简单球形物体的移动，还能操控更复杂的结构，如折纸莲花。即使在有静止或移动障碍物的动态环境中，该技术也能成功引导物体绕过障碍，这为未来在人体内复杂环境中进行精准操控奠定了基础。

这项技术在生物医学领域的应用前景尤为广阔。目前，一些药物递送方法已经使用声波释放封装药物，而EPFL团队的技术则更进一步，能够将药物直接精准递送到目标细胞，如肿瘤细胞。这种无创的靶向递送方式，有望提高治疗效果，减少副作用。

此外，该技术在生物分析和组织工程中也具有重要价值。通过非接触式操控，可以避免对细胞造成损伤或污染。在3D打印领域，这项技术还可以用于在固化成形前精确排列微观颗粒，为制造复杂结构提供新的可能。

研究团队已经获得了瑞士国家科学基金会（SNSF）的资助，下一步计划将这项基于声波的实验从宏观尺度扩展到微观尺度。他们将在显微镜下使用超声波，尝试对细胞进行精确操控。这一突破将为生物医学研究和临床治疗带来新的机遇。

这项由EPFL主导的研究，不仅展示了声波在物体操控方面的巨大潜力，更为未来的生物医学应用提供了新的可能。随着技术的进一步发展，我们有理由相信，这种创新的声波操控技术将在医疗健康领域发挥越来越重要的作用。