2018 年，亚瑟·阿什金因发明光镊而获得诺贝尔物理学奖：光镊是一种可用于操纵微观粒子的激光束。虽然光镊可用于许多生物应用，但它需要极其受控的静态条件才能正常工作。
“光镊的工作原理是创建一个光‘热点’来捕获粒子，就像一个球落入一个洞中一样。但如果附近有其他物体，这个洞就很难形成和移动，”洛桑联邦理工学院工程学院波浪工程实验室负责人 Romain Fleury 说。
弗勒里和博士后研究员巴赫蒂亚尔·奥拉兹拜耶夫 (Bakhtiyar Orazbayev) 和马蒂厄·马莱雅克 (Matthieu Malléjac) 在过去四年中一直在尝试利用声波在不受控制的动态环境中移动物体。事实上，该团队的方法——波动量塑造——完全不受物体环境甚至物理属性的影响。所需的所有信息都是物体的位置，其余的都由声波完成。
“在我们的实验中，我们不是捕获物体，而是轻轻地推动它们，就像用曲棍球棒引导冰球一样，”弗勒里解释道。
该项非常规方法由瑞士国家科学基金会 (SNSF) Spark计划资助，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科技大学的研究人员合作发表在《自然物理学》杂志上。
非常简单，非常有前途
如果声波是弗勒里类比中的曲棍球棒，那么像乒乓球这样的漂浮物体就是冰球。在实验室的实验中，球漂浮在一个大水箱的表面，它的位置被一个高架摄像机捕捉到。水箱两端的扬声器阵列发出可听见的声波，引导球沿着预定的路径移动，而第二个麦克风阵列“监听”反馈，称为散射矩阵，当它从移动的球上反弹时。这个散射矩阵与相机的位置数据相结合，使研究人员能够实时计算声波在推动球沿其路径移动时的最佳动量。
“该方法植根于动量守恒，这使得它极其简单和通用，这就是它如此有前景的原因，”弗勒里说。
他补充说，波浪动量整形的灵感来自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移动物体。此外，该团队的方法不仅限于沿路径移动球形物体：他们还用它来控制旋转，以及移动更复杂的漂浮物，如折纸莲花。
模拟体内状况
科学家们成功引导乒乓球后，又对静止和移动障碍物进行了额外的实验，旨在增加系统的不均匀性。成功地引导乒乓球绕过这些散射物体表明，即使在人体等动态、不受控制的环境中，波动量整形也能发挥良好的作用。弗勒里补充说，声音是一种特别有前途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使用声波来释放封装的药物，因此这种技术对于将药物直接推向肿瘤细胞特别有吸引力。”
该方法还可能改变生物分析或组织工程应用，因为通过触摸来操纵细胞会造成损坏或污染。Fleury 还看到了 3D 打印在波动量成形方面的应用，例如在将微观粒子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使用光，但他们的下一个目标是将基于声音的实验从宏观尺度扩展到微观尺度。他们已经获得 SNSF 资助，在显微镜下进行实验，使用超声波移动细胞。