声波驱动乒乓球穿越水上障碍赛道

瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的工程师们发明了一种系统，利用可听见的声波引导物体穿越难以预测的水上障碍赛道。虽然看着扬声器在泳池中操纵漂浮的乒乓球是一件很有趣的事情，但这种被称为“波浪动量塑造”的过程也可能为人类患者体内安全、新的药物输送方法铺平道路。

如果你曾经参加过一场非常吵闹的音乐会，那么你就会知道声波的物理威力。然而，要真正用声音推动一个人，需要的音量水平足以使人受伤，甚至直接杀死一个人。虽然用音频指挥一个人不是一种实用的交通方式，但同样的原理可以假设通过使用更微妙的频率应用于更小的物体。此外，声学的宽频率范围可以允许操纵从厘米到微米大小的目标。

洛桑联邦理工学院的研究人员在 6 月 21 日发表在《自然物理学》杂志上的论文中解释道：“声波具有明显的优势，因为它们具有生物相容性且无害，而且它们的短波长可以穿透各种异质、不透明和吸收介质。”

因此，工程师们确实这么做了，他们利用已故的亚瑟·阿什金（Arthur Ashkin）于 2018 年获得诺贝尔奖的光镊所开创的概念作为额外的灵感。但你不需要成为世界知名的物理学家就能理解该团队的波动量塑造系统——他们甚至在随附的声明中将其描述为“极其简单”。

6 月 25 日，这项研究的共同作者、洛桑联邦理工学院波浪工程实验室负责人罗曼·弗勒里 (Romain Fleury) 表示：“该方法以动量守恒为基础……这就是它如此有前景的原因。”阿什金的光镊使用激光束来捕获粒子，而弗勒里则将波浪动量整形比作使用声音轻轻推动物体，就像曲棍球棒引导冰球一样。

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为了测试他们的设计，研究人员将乒乓球放在一个大型水箱中，水箱内装有多个扬声器，扬声器位于整个外壳内。然后，他们从扬声器阵列播放 1,590Hz 的声波，让乒乓球沿着预先规划的路径滑行，同时麦克风检测到乒乓球从球上弹起时的反馈，即散射矩阵。散射矩阵数据与高架摄像机的信息相结合，让团队能够进行实时计算，以优化乒乓球在旅途中的声波动量。

但工程师们并不满足于只在固定的环境中导航物体。接下来，他们在一个包含固定和移动障碍物的水槽中成功测试了他们的系统，并将球形乒乓球换成了设计更复杂的物体，比如折纸莲花。通过展示波浪动量塑造处理复杂、不可预测的环境的能力，该团队相信未来的迭代可以处理人体等动态空间。

“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，”Fleury 说。

类似的方法也可能有助于生物分析和组织工程等其他任务，因为物理相互作用可能会污染或损坏样本。展望未来，Fleury 和同事希望采取更小的措施——使用超声波引导单个细胞。