东京都立大学开发声学镊子可操纵物体且无需物理接触

来自东京都立大学的研究人员开发了一种新技术，可以利用声波对小型物体进行非接触操作。他们使用一个半球形的超声换能器阵列来产生一个三维声场，该声场能稳定地捕获并将一个小聚苯乙烯球从反射表面上抬起。尽管他们的技术采用了一种类似于生物学中激光诱捕的方法，但可适应更广泛的颗粒大小和材料。 lGZ^ 8  
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不接触物体而移动物体的能力可能听起来像魔术，但在生物学和化学界，被称为光学捕获（optical trapping）的技术多年来一直在帮助科学家利用光来移动微观物体。事实上，授予亚瑟·阿斯金（1922-2020）的2018年诺贝尔物理学奖中，有一半是为了表彰这项技术的卓越成就。但是，激光的使用并非没有缺点，特别是对可移动的物体的属性所造成的限制。 <$'OSN`!  

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而“声学捕获”这是一种使用声音而不是光波的替代方法。声波可以应用于更广泛的物体尺寸和材料，以至于可以成功操纵毫米级的颗粒。尽管它们出现的时间没有光学对应物那么长，但声学悬浮和操纵在实验室环境和其他方面都显示出非凡的前景。但是需要克服的技术挑战是巨大的。特别是，要单独和准确地实时控制大量的超声换能器阵列，并获得正确的声场来提升远离换能器本身的物体，特别是在反射声音的表面附近，这并不容易。 aE(j_`L78  
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现在，来自东京都立大学的研究员Shota Kondo和副教授Kan Okubo想出了一种新的方法，利用半球形的换能器阵列将毫米大小的物体从反射表面抬起。他们驱动阵列的方法并不涉及单个元素的复杂寻址。相反，他们将阵列分割成可管理的区块，并使用反向滤波器找到最佳的相位和振幅来驱动它们，以便在离换能器本身一定距离的地方形成一个单一的陷阱。通过调整他们如何随时间驱动这些块，他们可以改变其目标场的位置，并移动他们所捕获的粒子。他们的发现得到了阵列所产生的三维声场模拟的支持，当然也得到了他们用聚苯乙烯球进行的实验的支持，这些实验本身就说明了问题（见视频）。 <M|kOi  
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尽管在保持粒子被捕获和稳定方面仍然存在挑战，但这项令人兴奋的新技术有望在将声学捕获从科学好奇心转变为实验室和工业的实用工具方面取得重大进展。