在声波中“冲浪”

岑夫子

悬浮和隔空移物一直是人类的梦想。在我国民间一度流行的气功和意念做功，虽然在科学上站不住脚，但表达了自古以来的这种朴素想法。到了今天，这个梦想已经以不那么神秘的科学手段实现了——虽然是小规模的。

一种办法是所谓的“光镊子”，即用几束激光，在空中推着一个小物体移动。这项技术借助光子照射在物体上所产生的压力，即所谓的“光压”来实现的。

另一种办法是磁悬浮。最著名的例子是1997年获得搞笑诺贝尔奖的一个实验：科学家在超导体产生的磁场中，将一只青蛙悬浮了起来。不过，这种办法仅对有磁性的或者能诱导出磁性的物体（水分子能在磁场中被诱导出磁性，青蛙借助身体里的水悬浮起来）适用，而且磁场要足够强。

现在，又多了一种办法——利用声波来悬浮和移物。

声波悬浮和移物的原理

声波悬浮的原理其实很简单。我们知道，声音是借助空气传播的一种疏密波。在传播过程中，密度大的地方压强大，密度小的地方压强小。譬如，我们的耳膜在接收声波时，耳膜外的空气时疏时密，压强时大时小，耳膜内外产生一个压强差;这个压强差时正时负，于是耳膜就产生了振动。

平常的声波总是稍纵即逝，由此在空间产生的压强差也是瞬间即逝的，除非新的声波不停传来。但是，科学家有办法让声波经过多次反射、叠加之后，在空间驻留，形成固定的波动，此即为“驻波”。在驻波上，某处是波峰，就永远是波峰;是波谷，就永远是波谷。换句话说，空气密度大的地方，永远密度大;密度小的地方，永远密度小。如此一来，在空间永久形成了一系列的高压点和低压点。在低压点，就可以利用其与周围空气的压强差，让物体克服重力而悬浮起来。

如果通过电脑的设计和控制，不停改变驻波的形状，悬浮物还会随着波谷在空间的连续位置变化，而实现移动。这样，声波就像一只无形的手，可以精确地牵引着物体在空中移动。

这不仅是你在派对上可以露一手的很酷的节目，声波移物还可以让我们不用直接接触，就能移动、分离某些“娇贵”的东西，例如活细胞或微型元件，使其避免了被污染或损坏的风险。它还可以被用来制造一种立体显示器。

不仅悬浮，还能移动

声波悬浮的最初尝试可以追溯到上个世纪。1933年，两位波兰科学家用几块振动的石英晶体建立了一个声波的驻波，其中的波峰和波谷保持在固定位置，不随时间改变。这就在空间中产生了固定的波峰和波谷。两位科学家发现，酒精小液滴能克服重力，懸浮在波谷处。这个实验给人印象深刻，但还不够酷，因为悬浮物不能移动。

要想让悬浮物移动，需要不断改变驻波的形状，这只有等到有了电脑才能实现。2010年，英国布里斯托尔大学的斯里兰·苏布安和布鲁斯·君科特利用一套扬声器阵列，制造出由声波形成的复杂三维驻波，并且通过电脑编程，快速地改变驻波的形状。

通过这种办法，他们制作了一对声学“镊子”，由两个手指状的声波驻波组成，可以捏住一个小球并移动它。然后，他们还制造了一个声波的漩涡，可以让小球在里面旋转。他们的声波牵引技术已经达到如此高超的地步，以至于他们制造了一个抓着棒球棒的塑料人，一个小球（模拟棒球）借助塑料人周围弯曲的声波，在空中上下左右移动，模拟一个人打棒球的场景。

立体显示器和声学离心机

上述这些成果还只停留在好玩上，如何将这项神奇的技术好好利用起来呢？最早的想法之一是用它制作所谓的立体显示器。你可能在科幻电影中看到过立体显示器，它其实就是悬浮在空中的、可随时改变形状的立体图像。

君科特和他的团队制作了一个聚苯乙烯小球，让它沿着由声波形成的曲里拐弯的轨道中快速滑动。他们还用灯光照亮小球，让它改变颜色。由于它运动得极快，在很短的时间里出现在不同的位置，使人眼无法跟踪，感觉好像有无数个小球在不同的地方晃动一样，看起来就像是一个立体图像。在另一项工作中，他们使用两个平行的扬声器阵列，让声波推动一个小球快速移动，在空中描画出一个笑脸的图案。

另外一些人则开始考虑更雄心勃勃的应用。譬如非接触式地操纵一些“娇嫩”的东西——细胞和活组织的碎片。

事实上，我们已经有现成的操纵这些东西的方法，但还不够理想。以离心机为例，这种旋转装置用于将血液分离成红细胞、血小板等不同的成分。但是当涉及到分离更微小的成分时，离心机就不太管用了。美国杜克大学的托尼·黄想知道，一个由声波组成的隐形离心机是否能做得更好。

他对分离外泌体特别感兴趣。外泌体是细胞分泌的纳米级囊泡，囊泡里含有蛋白质、RNA等分子。这些东西可以成为癌症和老年痴呆症的诊断工具。但是外泌体太微小了，用传统离心机分离，很费时间。托尼制造了一个声学离心机，通过改变声波的频率，他和他的团队在小鼠的血液样本中分离出外泌体。使用传统离心机，这一过程需要大约8小时，但使用声学离心机，1分钟内就能完成。

牵引体内的东西

甚至可以用声波牵引来操纵活体组织内的东西，避免开刀动手术。我们知道，声波是一种机械振动波，而且能量很小，它对我们身体的影响很小，像我们经常作检查用的B超，就是其中的一种。

2020年，美国华盛顿大学的米歇尔·贝利和他的同事演示了一个实验。他用声波牵引，在麻醉的猪的膀胱中移动直径3毫米的玻璃珠。使用由猪体外的扬声器阵列产生的涡漩形声波，他们能够引导玻璃珠沿着复杂的三维路径（如八字形和圆圈）移动。

米歇尔还与几家医院合作，进行一项临床试验，看看能否利用声波牵引来清除肾结石。清除肾结石，常规的做法是用超声波轰击肾结石，将其击碎。但结石的碎片可能被遗留下，为未来的结石留下种子。米歇尔的试验旨在用声波将这些碎片引导到可被肾脏自然清除的位置。他们使用B超实时观察了整个实验过程。从B超上看到，多数结石碎片被移动了1厘米之多。米歇尔希望未来能引导更长的距离。米歇尔的工作是由美国宇航局赞助的，因为肾结石对宇航员是一个严重的健康风险。

也许还可以用声波移动体内各种其他的东西。以外面包裹着一层脂肪的微胶囊为例。胶囊里装载药物，用于注射。我们可以用声波将它们移动到身体的病灶位置，然后用超声波爆破，让药物释放出来。这是一种可控制的化疗手段。常规的化疗往往伤及健康组织。而这种办法可以把伤害降至最低。

同样，用声波可以牵引吞进人体的微型摄像头。现在，在国外，让病人吞下药丸大小的微型摄像头来检查消化道，正成为肠癌筛查的一种普通手段。但这些药丸摄像头一旦进入体内，你就无法控制。你想让它停下来，或者旋转一下，或者假如它错过了什么地方，要它回去补拍一下，都是不可能的。而声波牵引将是理想的辅助工具。你可以随心所欲地操控微型摄像头，想在哪里停留就在哪里停留，想停留多久，就停留多久。

你瞧，声波牵引技术真是又好玩又有用。