岑夫子

懸浮和隔空移物一直是人類的夢(mèng)想。在我國(guó)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(dá)了自古以來的這種樸素想法。到了今天，這個(gè)夢(mèng)想已經(jīng)以不那么神秘的科學(xué)手段實(shí)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(gè)小物體移動(dòng)。這項(xiàng)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(shí)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(jiǎng)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)：科學(xué)家在超導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，將一只青蛙懸浮了起來。不過，這種辦法僅對(duì)有磁性的或者能誘導(dǎo)出磁性的物體（水分子能在磁場(chǎng)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(chǎng)要足夠強(qiáng)。

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(shí)很簡(jiǎn)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(qiáng)大，密度小的地方壓強(qiáng)小。譬如，我們的耳膜在接收聲波時(shí)，耳膜外的空氣時(shí)疏時(shí)密，壓強(qiáng)時(shí)大時(shí)小，耳膜內(nèi)外產(chǎn)生一個(gè)壓強(qiáng)差;這個(gè)壓強(qiáng)差時(shí)正時(shí)負(fù)，于是耳膜就產(chǎn)生了振動(dòng)。

平常的聲波總是稍縱即逝，由此在空間產(chǎn)生的壓強(qiáng)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(dòng)，此即為“駐波”。在駐波上，某處是波峰，就永遠(yuǎn)是波峰;是波谷，就永遠(yuǎn)是波谷。換句話說，空氣密度大的地方，永遠(yuǎn)密度大;密度小的地方，永遠(yuǎn)密度小。如此一來，在空間永久形成了一系列的高壓點(diǎn)和低壓點(diǎn)。在低壓點(diǎn)，就可以利用其與周圍空氣的壓強(qiáng)差，讓物體克服重力而懸浮起來。

如果通過電腦的設(shè)計(jì)和控制，不停改變駐波的形狀，懸浮物還會(huì)隨著波谷在空間的連續(xù)位置變化，而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。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(dòng)。

這不僅是你在派對(duì)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(dòng)、分離某些“嬌貴”的東西，例如活細(xì)胞或微型元件，使其避免了被污染或損壞的風(fēng)險(xiǎn)。它還可以被用來制造一種立體顯示器。

不僅懸浮，還能移動(dòng)

聲波懸浮的最初嘗試可以追溯到上個(gè)世紀(jì)。1933年，兩位波蘭科學(xué)家用幾塊振動(dòng)的石英晶體建立了一個(gè)聲波的駐波，其中的波峰和波谷保持在固定位置，不隨時(shí)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(gè)實(shí)驗(yàn)給人印象深刻，但還不夠酷，因?yàn)閼腋∥锊荒芤苿?dòng)。

要想讓懸浮物移動(dòng)，需要不斷改變駐波的形狀，這只有等到有了電腦才能實(shí)現(xiàn)。2010年，英國(guó)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(yáng)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(duì)聲學(xué)“鑷子”，由兩個(gè)手指狀的聲波駐波組成，可以捏住一個(gè)小球并移動(dòng)它。然后，他們還制造了一個(gè)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(dá)到如此高超的地步，以至于他們制造了一個(gè)抓著棒球棒的塑料人，一個(gè)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(dòng)，模擬一個(gè)人打棒球的場(chǎng)景。

立體顯示器和聲學(xué)離心機(jī)

上述這些成果還只停留在好玩上，如何將這項(xiàng)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(shí)就是懸浮在空中的、可隨時(shí)改變形狀的立體圖像。

君科特和他的團(tuán)隊(duì)制作了一個(gè)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(dòng)。他們還用燈光照亮小球，讓它改變顏色。由于它運(yùn)動(dòng)得極快，在很短的時(shí)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(gè)小球在不同的地方晃動(dòng)一樣，看起來就像是一個(gè)立體圖像。在另一項(xiàng)工作中，他們使用兩個(gè)平行的揚(yáng)聲器陣列，讓聲波推動(dòng)一個(gè)小球快速移動(dòng)，在空中描畫出一個(gè)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(xì)胞和活組織的碎片。

事實(shí)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(jī)為例，這種旋轉(zhuǎn)裝置用于將血液分離成紅細(xì)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(shí)，離心機(jī)就不太管用了。美國(guó)杜克大學(xué)的托尼·黃想知道，一個(gè)由聲波組成的隱形離心機(jī)是否能做得更好。

他對(duì)分離外泌體特別感興趣。外泌體是細(xì)胞分泌的納米級(jí)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(jī)分離，很費(fèi)時(shí)間。托尼制造了一個(gè)聲學(xué)離心機(jī)，通過改變聲波的頻率，他和他的團(tuán)隊(duì)在小鼠的血液樣本中分離出外泌體。使用傳統(tǒng)離心機(jī)，這一過程需要大約8小時(shí)，但使用聲學(xué)離心機(jī)，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(dòng)手術(shù)。我們知道，聲波是一種機(jī)械振動(dòng)波，而且能量很小，它對(duì)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(guó)華盛頓大學(xué)的米歇爾·貝利和他的同事演示了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。他用聲波牽引，在麻醉的豬的膀胱中移動(dòng)直徑3毫米的玻璃珠。使用由豬體外的揚(yáng)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(dòng)。

米歇爾還與幾家醫(yī)院合作，進(jìn)行一項(xiàng)臨床試驗(yàn)，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(yàn)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(shí)時(shí)觀察了整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。從B超上看到，多數(shù)結(jié)石碎片被移動(dòng)了1厘米之多。米歇爾希望未來能引導(dǎo)更長(zhǎng)的距離。米歇爾的工作是由美國(guó)宇航局贊助的，因?yàn)槟I結(jié)石對(duì)宇航員是一個(gè)嚴(yán)重的健康風(fēng)險(xiǎn)。

也許還可以用聲波移動(dòng)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(dòng)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(jìn)人體的微型攝像頭?，F(xiàn)在，在國(guó)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(jìn)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(cuò)過了什么地方，要它回去補(bǔ)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。