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需要激发创新。 1986年，物理学家阿斯金开始研究神奇的光学镊子技术：他利用光辐射压原理，用激光来移动操纵原子、分子和生物细胞，并将技术推广到生物学领域，有效促进了相关科技的发展。32年后，阿斯金的“光学镊子及其在生物系统的应用”，获得2018年诺贝尔物理学奖。但由于受基本原理的限制，光学镊子的应用仍存在诸多局限性。因为光学镊子以激光为动力源，其系统本身的尺寸不可能太小，又由于激光穿透性有限，光学镊子只能应用于透明介质。再者，激光源强度较大，运用时会对背景介质或细胞微粒产生损伤。那么，还有没有比光学镊子更好的镊子呢？只有想不到，没有做不到。一种用声音来移动和操控细胞或微小颗粒的技术真的产生了。这就是声学镊子。 “声学镊子”“是一种无形的“镊子”，性能超越光学镊子，它用声辐射力来操控微小颗粒，“运”物无声。 声学镊子的概念，最早可追溯到1991年。 在阿斯金提出光学镊子概念5年后，佛蒙特大学的吴君汝教授受其启发，在实验中利用两束聚焦声波产生的驻波场，实现了对270微米直径的乳胶粒子和一团青蛙卵的捕获及移动，首次证明了声学镊子的可行性。此后，科研人员分别从原理、装置及应用等多方面，对声学镊子技术进行了拓展和推动，使其向着操控精度更高、系统更成熟、实用性更强等方向发展。 声学镊子是利用声辐射力原理来捕获和控制微小粒子的一种前沿技术。 声波的能量虽小，但是其单位输入下的辐射力可达激光的10万倍。此外，声波是一种弹性波，可在包括流体、固体等任何介质内传播，不受介质透明性、电磁特性等影响。其能量和工作频率与医学领域的超声成像系统参数相当，可实现对单个细胞或纳米颗粒的操控，并确保生物体和目标粒子的安全。 当一个微小颗粒或单个细胞落入这样的声场中，在声学辐射力的作用下，就将被“推”到波腹或波节位置，并“锁定”在那里，被“镊子”牢牢夹住。然后，通过声源调节来改变波腹和波节的分布，从而将其移动到想要的位置。它还可通过粒子特性与声源之间的相互关系，改变声场特性，控制一个区域内微小粒子或单个细胞的筛选和分类。 声学镊子操控的微粒，最小的尺寸可到1微米左右。 从维度来看，既可实现一维和二维空间粒子的排列组合，也能实现粒子在三维空间的移动变换。目前的科学实验，已实现对塑料微球颗粒、牛血细胞等微小颗粒的操控，甚至能对毫米尺度的线虫生物体进行捕获、移动和拉伸等控制。从原理上讲，由于声波波长尺度跨度很大，在一定条件下，声学镊子可实现对超过厘米级粒子的大尺度粒子及其结构的捕获和控制。它不但可控制微小粒子，还可对流体介质产生影响，对形成特定的流场环境有很大的价值。 泌尿外科医生可以对一组专门的微型扬声器进行编程，以创建一个复杂的声场，用“声学镊子”来捕获和操纵选定的结石或晶体，以便在人体组织内进行操纵。 英国布里斯托尔大学机械工程系布鲁斯·德林克沃特（Bruce Drinkwater）教授和西班牙纳瓦拉公共大学阿西尔·马索（Asier Marzo）博士在声学镊子方面的突破，正推动这项技术走向从科幻走向现实。 该团队的最新进展发表在2018年12月17日的《国家科学院院刊》（PANS）上，首次展示了多个微粒的声悬浮和操控，且微粒的移动方向可以相互独立。这种新设备被称为“全息声学镊子”。2015年，这对搭档即开发出了世界上第一台声学操控装置。此次的技术突破，除了可以巩固发明人在业内的权威声望之外，对于诸如制药这样的行业也具有非常大的应用价值——声学悬浮可以实现对原材料的无容器处理。德林克沃特教授设想将该设备用于生物医学领域，例如用于身体内部损伤的声学缝合，或将药物输送到目标器官。 （超）声波是一种压力波动，通过提高超声波的音量（即波幅），研究团队就可以创造一个足够强的声场来移动微粒。现在，研究团队已经能够有效产生足够复杂的声场，在目标位置区捕捉和操控多个微粒。马索博士解释道：“我们应用了一种新的算法来控制256个小扬声器组成的阵列——这使得我们能够创建复杂的声学镊子。”试验中的声学镊子由两组包含256个扬声器的阵列组成，每个扬声器直径约1厘米，阵列之间有23厘米的间隔。它们的工作频率为40千赫，远高于人类的听觉范围（频率约20赫至20千赫）。 声学镊子与2018年诺贝尔奖获得者发明的光学镊子具有相似的功能，光镊使用激光捕获和操控微粒。然而，对某些材料和某些应用场合，声学镊子比光学镊子有优势，因为激光需要透明介质，且仅能够操纵微米大小的颗粒，而超声波通常用于妊娠扫描和肾结石治疗，因为它可以安全、无创地穿透生物组织。 为了证明他们系统的准确性，科学家们将两个毫米大小聚苯乙烯球附着在一根线上，并用声学镊子将线“缝”到一块织物上。该系统还可以同时控制多达25个球体在空气中的三维运动。 该团队相信，同样的方法可以在大约一年内适应水中粒子的操控。他们希望不久之后，它能被用于生物组织。马索博士解释道：“声学镊子具有各种各样的可能应用，但我对这两种尤其感兴趣。使用大量悬浮颗粒形成不同的三维物体，如果说二维屏幕上最小的单位是像素，那未来的3D屏幕上就有所谓的体素，而我们的发明印证了这一可能。”马索博士表示，“这一技术还可以在微观尺度上操纵3D细胞搭建出二维培养皿中无法存在的立体的生物学结构。” |
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