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，這個夢想已經以不那么神秘的科學手段實現了——雖然是小規模的。

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。這項技術借助光子照射在物體上所產生的壓力，即所謂的“光壓”來實現的。

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：科學家在超導體產生的磁場中，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出磁性的物體（水分子能在磁場中被誘導出磁性，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，耳膜內外產生一個壓強差;這個壓強差時正時負，于是耳膜就產生了振動。

平常的聲波總是稍縱即逝，由此在空間產生的壓強差也是瞬間即逝的，除非新的聲波不停傳來。但是，科學家有辦法讓聲波經過多次反射、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位置變化，而實現移動。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。這就在空間中產生了固定的波峰和波谷。兩位科學家發現，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。2010年，英國布里斯托爾大學的斯里蘭·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“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。他們的聲波牽引技術已經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在不同的位置，使人眼無法跟蹤，感覺好像有無數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，我們已經有現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、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，用傳統離心機分離，很費時間。托尼制造了一個聲學離心機，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。使用傳統離心機，這一過程需要大約8小時，但使用聲學離心機，1分鐘內就能完成。

牽引體內的東西

甚至可以用聲波牽引來操縱活體組織內的東西，避免開刀動手術。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，像我們經常作檢查用的B超，就是其中的一種。

2020年，美國華盛頓大學的米歇爾·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生的渦漩形聲波，他們能夠引導玻璃珠沿著復雜的三維路徑（如八字形和圓圈）移動。

米歇爾還與幾家醫院合作，進行一項臨床試驗，看看能否利用聲波牽引來清除腎結石。清除腎結石，常規的做法是用超聲波轟擊腎結石，將其擊碎。但結石的碎片可能被遺留下，為未來的結石留下種子。米歇爾的試驗旨在用聲波將這些碎片引導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，多數結石碎片被移動了1厘米之多。米歇爾希望未來能引導更長的距離。米歇爾的工作是由美國宇航局贊助的，因為腎結石對宇航員是一個嚴重的健康風險。

也許還可以用聲波移動體內各種其他的東西。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?，F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，你就無法控制。你想讓它停下來，或者旋轉一下，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，聲波牽引技術真是又好玩又有用。