摘要：本文综述了声学牵引束技术（Acoustic Tractor Beam），介绍了其相对于 “声学镊子” 在描述相关过程实际机制方面的优势，阐述了华盛顿大学团队所开发的关键设备 ——1.5 MHz 256 元件聚焦超声阵列及其工作原理，涵盖从对多元件阵列振动的表征测量，到合成三维陷阱实现物体操纵，再到在活体动物膀胱内成功进行操纵并确认的一系列研究进展，展示了该技术在物体捕获与操纵领域的潜力与应用前景。同时，也对该领域的一些最新研究成果进行了探讨。一、引言摘要：本文综述了声学牵引束技术（Acoustic Tractor Beam），介绍了其相对于 “声学镊子” 在描述相关过程实际机制方面的优势，阐述了华盛顿大学团队所开发的关键设备 ——1.5 MHz 256 元件聚焦超声阵列及其工作原理，涵盖从对多元件阵列振动的表征
声学领域的技术不断发展创新，声学牵引束技术作为一种新兴技术，展现出独特的应用价值。与传统的 “声学镊子” 有所不同，它以独特的实际机制在物体捕获和操纵方面发挥着重要作用，华盛顿大学团队对此开展了深入且富有成效的研究。
二、声学牵引束技术的特点及优势“声学牵引束” 这一术语被认为相较于 “声学镊子” 更契合描述相关操作过程的实际机制。其独特之处在于利用单个声源，通过电子控制声束，实现对 3D 空间中物体的捕获与操纵，这区别于其他声学镊子的工作方式，为物体操控提供了一种新的有效途径。
三、关键设备及原理（一）1.5 MHz 256 元件聚焦超声阵列华盛顿大学团队开发了 1.5 MHz 256 元件聚焦超声阵列，该阵列有着重要的配置特点。它能够产生均匀的二维声束形状，并且可以在焦点区域生成足够高的压力。这一焦点区域十分关键，大型物体（如肾结石）能够在此区域被捕获，进而实现在该区域以及横向于梁轴方向的移动。例如，在医疗相关应用场景中，针对肾结石的处理便可以借助这一特性来探索新的治疗方式 [21]。
（二）阵列振动的表征与测量为了确定生成能够操纵物体的涡旋光束所需的特定力，首先要对多元件阵列的振动进行细致的表征和测量。通过这样的操作，团队首次实现了以这种方式量化大型物体上的横向声力，并能与理论模型进行比较，这为深入理解声学牵引束技术的物理本质以及后续的精确操控奠定了坚实基础 [24, 25]。
四、技术应用进展（一）合成三维陷阱与物体操纵团队成功合成了三维陷阱，借助该技术，毫米大小的玻璃球能够在水中实现悬浮和操纵。这一成果展示了声学牵引束技术在微观层面操纵物体的能力，在生物、物理等实验研究领域有着潜在的应用价值，比如可用于模拟细胞等微小物体的操作场景。类似地，英国布里斯托尔大学的 Asier Marzo 等研究人员在 2018 年于《Physical Review Letters》发表的研究中，介绍了一种声波旋涡技术，其结构类似龙卷风，通过操控 40 千赫的超声波，成功让一个直径 2 厘米的聚苯乙烯小球悬浮起来，这是当时用声波牵引束控制的最大物体，该技术在遥控药物胶囊、微型手术设备等领域有应用前景 [1]。
（二）活体动物膀胱内的操纵实验最终，研究取得了更为突破性的进展，在超声成像下，成功地在活猪膀胱内的 3D 路径中操纵了 3 毫米球形玻璃珠（模仿肾结石），并且通过内窥镜 视图进行了确认。这意味着该技术朝着实际医疗应用迈出了重要的一步，为未来肾结石等体内异物的无创或微创治疗提供了新的思路和方法。另外，在 2015 年发表于《Nature Communications》的研究展示了一种利用声波支撑并操控物体运动的方式，通过大量微型扬声器释放高密度声波阵列支撑物体，并控制声波强度形成无形的声波 “力场”，从而控制物体的运动方式，未来有望用于非接触式运输和组装小型物体以及微型手术等领域 [3]。还有 2017 年将发表于《应用物理通讯》的研究介绍了单向声学牵引束装置，其采用超材料中不同长度的管状结构，通过单个声源产生声波，可牵引小珠子、昆虫等物体，还能使苍蝇等小物体悬浮在空中，该装置采用三种不同设计和波长，可牵引不同物体 [4]。
五、发展前景与挑战声学牵引束技术目前已经取得了令人瞩目的进展，但要实现更广泛的应用仍面临一些挑战。例如，如何进一步提高对不同类型、不同大小物体的操纵精准度，怎样确保在复杂的活体环境中长时间稳定操作等。不过，鉴于其已有的成果以及展现出的巨大潜力，随着技术的持续完善和相关研究的深入开展，有望在医疗、生物工程等众多领域开拓更广阔的应用空间，为解决实际问题提供创新性的解决方案。
六、结论声学牵引束技术凭借其独特的机制和华盛顿大学团队的系列研究进展，在物体捕获与操纵领域已崭露头角。未来需要不断克服面临的挑战，充分挖掘其应用潜力，使其能够更好地服务于科学研究与实际应用场景，为相关领域带来更多的突破与发展。
参考文献：
[1] Asier Marzo, et al. Acoustic Virtual Vortices with Tunable Orbital Angular Momentum for Trapping of Mie Particles. Physical Review Letters, 2018.
[21] Washington University research team. [Related research details]. [Publication year].
[24] Washington University research team. [Related research details]. [Publication year].
[25] Washington University research team. [Related research details]. [Publication year].
[3] [Author]. [Title]. Nature Communications, 2015.
[4] [Author]. [Title]. Applied Physics Letters, 2017.
来源：科讯生活