在聲波中“沖浪”

岑夫子

懸浮和隔空移物一直是人類的夢想。在我國民間一度流行的氣功和意念做功，雖然在科學(xué)上站不住腳，但表達了自古以來的這種樸素想法。到了今天，這個夢想已經(jīng)以不那么神秘的科學(xué)手段實現(xiàn)了——雖然是小規(guī)模的。

一種辦法是所謂的“光鑷子”，即用幾束激光，在空中推著一個小物體移動。這項技術(shù)借助光子照射在物體上所產(chǎn)生的壓力，即所謂的“光壓”來實現(xiàn)的。

另一種辦法是磁懸浮。最著名的例子是1997年獲得搞笑諾貝爾獎的一個實驗：科學(xué)家在超導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場中，將一只青蛙懸浮了起來。不過，這種辦法僅對有磁性的或者能誘導(dǎo)出磁性的物體（水分子能在磁場中被誘導(dǎo)出磁性，青蛙借助身體里的水懸浮起來）適用，而且磁場要足夠強。

現(xiàn)在，又多了一種辦法——利用聲波來懸浮和移物。

聲波懸浮和移物的原理

聲波懸浮的原理其實很簡單。我們知道，聲音是借助空氣傳播的一種疏密波。在傳播過程中，密度大的地方壓強大，密度小的地方壓強小。譬如，我們的耳膜在接收聲波時，耳膜外的空氣時疏時密，壓強時大時小，耳膜內(nèi)外產(chǎn)生一個壓強差;這個壓強差時正時負，于是耳膜就產(chǎn)生了振動。

平常的聲波總是稍縱即逝，由此在空間產(chǎn)生的壓強差也是瞬間即逝的，除非新的聲波不停傳來。但是，科學(xué)家有辦法讓聲波經(jīng)過多次反射、疊加之后，在空間駐留，形成固定的波動，此即為“駐波”。在駐波上，某處是波峰，就永遠是波峰;是波谷，就永遠是波谷。換句話說，空氣密度大的地方，永遠密度大;密度小的地方，永遠密度小。如此一來，在空間永久形成了一系列的高壓點和低壓點。在低壓點，就可以利用其與周圍空氣的壓強差，讓物體克服重力而懸浮起來。

如果通過電腦的設(shè)計和控制，不停改變駐波的形狀，懸浮物還會隨著波谷在空間的連續(xù)位置變化，而實現(xiàn)移動。這樣，聲波就像一只無形的手，可以精確地牽引著物體在空中移動。

這不僅是你在派對上可以露一手的很酷的節(jié)目，聲波移物還可以讓我們不用直接接觸，就能移動、分離某些“嬌貴”的東西，例如活細胞或微型元件，使其避免了被污染或損壞的風(fēng)險。它還可以被用來制造一種立體顯示器。

不僅懸浮，還能移動

聲波懸浮的最初嘗試可以追溯到上個世紀。1933年，兩位波蘭科學(xué)家用幾塊振動的石英晶體建立了一個聲波的駐波，其中的波峰和波谷保持在固定位置，不隨時間改變。這就在空間中產(chǎn)生了固定的波峰和波谷。兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，酒精小液滴能克服重力，懸浮在波谷處。這個實驗給人印象深刻，但還不夠酷，因為懸浮物不能移動。

要想讓懸浮物移動，需要不斷改變駐波的形狀，這只有等到有了電腦才能實現(xiàn)。2010年，英國布里斯托爾大學(xué)的斯里蘭·蘇布安和布魯斯·君科特利用一套揚聲器陣列，制造出由聲波形成的復(fù)雜三維駐波，并且通過電腦編程，快速地改變駐波的形狀。

通過這種辦法，他們制作了一對聲學(xué)“鑷子”，由兩個手指狀的聲波駐波組成，可以捏住一個小球并移動它。然后，他們還制造了一個聲波的漩渦，可以讓小球在里面旋轉(zhuǎn)。他們的聲波牽引技術(shù)已經(jīng)達到如此高超的地步，以至于他們制造了一個抓著棒球棒的塑料人，一個小球（模擬棒球）借助塑料人周圍彎曲的聲波，在空中上下左右移動，模擬一個人打棒球的場景。

立體顯示器和聲學(xué)離心機

上述這些成果還只停留在好玩上，如何將這項神奇的技術(shù)好好利用起來呢？最早的想法之一是用它制作所謂的立體顯示器。你可能在科幻電影中看到過立體顯示器，它其實就是懸浮在空中的、可隨時改變形狀的立體圖像。

君科特和他的團隊制作了一個聚苯乙烯小球，讓它沿著由聲波形成的曲里拐彎的軌道中快速滑動。他們還用燈光照亮小球，讓它改變顏色。由于它運動得極快，在很短的時間里出現(xiàn)在不同的位置，使人眼無法跟蹤，感覺好像有無數(shù)個小球在不同的地方晃動一樣，看起來就像是一個立體圖像。在另一項工作中，他們使用兩個平行的揚聲器陣列，讓聲波推動一個小球快速移動，在空中描畫出一個笑臉的圖案。

另外一些人則開始考慮更雄心勃勃的應(yīng)用。譬如非接觸式地操縱一些“嬌嫩”的東西——細胞和活組織的碎片。

事實上，我們已經(jīng)有現(xiàn)成的操縱這些東西的方法，但還不夠理想。以離心機為例，這種旋轉(zhuǎn)裝置用于將血液分離成紅細胞、血小板等不同的成分。但是當(dāng)涉及到分離更微小的成分時，離心機就不太管用了。美國杜克大學(xué)的托尼·黃想知道，一個由聲波組成的隱形離心機是否能做得更好。

他對分離外泌體特別感興趣。外泌體是細胞分泌的納米級囊泡，囊泡里含有蛋白質(zhì)、RNA等分子。這些東西可以成為癌癥和老年癡呆癥的診斷工具。但是外泌體太微小了，用傳統(tǒng)離心機分離，很費時間。托尼制造了一個聲學(xué)離心機，通過改變聲波的頻率，他和他的團隊在小鼠的血液樣本中分離出外泌體。使用傳統(tǒng)離心機，這一過程需要大約8小時，但使用聲學(xué)離心機，1分鐘內(nèi)就能完成。

牽引體內(nèi)的東西

甚至可以用聲波牽引來操縱活體組織內(nèi)的東西，避免開刀動手術(shù)。我們知道，聲波是一種機械振動波，而且能量很小，它對我們身體的影響很小，像我們經(jīng)常作檢查用的B超，就是其中的一種。

2020年，美國華盛頓大學(xué)的米歇爾·貝利和他的同事演示了一個實驗。他用聲波牽引，在麻醉的豬的膀胱中移動直徑3毫米的玻璃珠。使用由豬體外的揚聲器陣列產(chǎn)生的渦漩形聲波，他們能夠引導(dǎo)玻璃珠沿著復(fù)雜的三維路徑（如八字形和圓圈）移動。

米歇爾還與幾家醫(yī)院合作，進行一項臨床試驗，看看能否利用聲波牽引來清除腎結(jié)石。清除腎結(jié)石，常規(guī)的做法是用超聲波轟擊腎結(jié)石，將其擊碎。但結(jié)石的碎片可能被遺留下，為未來的結(jié)石留下種子。米歇爾的試驗旨在用聲波將這些碎片引導(dǎo)到可被腎臟自然清除的位置。他們使用B超實時觀察了整個實驗過程。從B超上看到，多數(shù)結(jié)石碎片被移動了1厘米之多。米歇爾希望未來能引導(dǎo)更長的距離。米歇爾的工作是由美國宇航局贊助的，因為腎結(jié)石對宇航員是一個嚴重的健康風(fēng)險。

也許還可以用聲波移動體內(nèi)各種其他的東西。以外面包裹著一層脂肪的微膠囊為例。膠囊里裝載藥物，用于注射。我們可以用聲波將它們移動到身體的病灶位置，然后用超聲波爆破，讓藥物釋放出來。這是一種可控制的化療手段。常規(guī)的化療往往傷及健康組織。而這種辦法可以把傷害降至最低。

同樣，用聲波可以牽引吞進人體的微型攝像頭。現(xiàn)在，在國外，讓病人吞下藥丸大小的微型攝像頭來檢查消化道，正成為腸癌篩查的一種普通手段。但這些藥丸攝像頭一旦進入體內(nèi)，你就無法控制。你想讓它停下來，或者旋轉(zhuǎn)一下，或者假如它錯過了什么地方，要它回去補拍一下，都是不可能的。而聲波牽引將是理想的輔助工具。你可以隨心所欲地操控微型攝像頭，想在哪里停留就在哪里停留，想停留多久，就停留多久。

你瞧，聲波牽引技術(shù)真是又好玩又有用。