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声波阵列用“声镊”精准移动物体,为非侵入性输送靶向药开辟新途径
2024-07-03 09:07
来源:科技日报
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 据最新一期《自然·物理》杂志报道,包括瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)在内的国际研究团队利用声波,成功引导水上物体绕过障碍物。这种创新性方法为生物医学应用,如非侵入性靶向药物输送开辟了新途径。

   

  

  利用声波移动物体(视频截图)。红色点为静态散射器,绿圈内为移动目标,黄色S曲线为移动路径。  

  图片来源:瑞士洛桑联邦理工学院 

  

  2018年,阿瑟·阿斯金因发明了“光镊”而获得诺贝尔物理学奖,这是一种可操纵微观粒子的激光束。EPFL工程学院波浪工程实验室负责人罗曼·弗勒里表示,“光镊”的工作原理是创造一个光“热点”来捕获粒子,就像一个球掉进洞里那样。但如果附近有其他物体,这个洞就很难形成和移动。

  在实验中,研究人员使用一种名为波动量造形(wave momentum shaping)的技术,只需要确定物体位置,就能通过声波对其进行操控,就像一种“声镊”。他们不是捕捉物体,而是轻轻推动物体,就像用冰球杆引导冰球那样,研究人员用声波来引导漂浮的乒乓球绕过水上赛道中设置的障碍。

  乒乓球漂浮在一个大水箱中,通过上方相机确定它们的位置。水箱两端的扬声器阵列发出可听见的声波,引导乒乓球沿预定路径移动,同时利用麦克风阵列“监听”反馈,称为散射矩阵。这个散射矩阵与相机的位置数据相结合,使研究人员能实时计算声波在推动乒乓球时的最佳动量。

  弗勒里表示,这种方法基于动量守恒原理,不仅可用于移动球形物体,还可以用于控制旋转、移动更复杂的物体。

  研究团队还将障碍物设为移动的,以增加系统的不确定性,结果显示,这种技术也能发挥良好的作用。

  研究人员表示,在生物医学应用中,声波是一种无害的非侵入性工具,比如用声波来帮助在体内特定位置释放药物,因此新技术对于将药物直接推向肿瘤特别有吸引力。此外,在生物分析或组织工程应用中,这种技术可以用超声波移动细胞,减少因触碰细胞造成的损害或污染。

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