科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在片上聲波操控領(lǐng)域取得新進(jìn)展。他們研制出一種新型可編程聲波芯片，可在電子芯片上對(duì)流體和顆粒等微小目標(biāo)進(jìn)行靈活精準(zhǔn)操控。該技術(shù)拓展了醫(yī)學(xué)和工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景，有望應(yīng)用于非侵入性手術(shù)或體外血液成分分離。相關(guān)研究成果發(fā)表于最新一期《自然·通訊》雜志。

團(tuán)隊(duì)一直在探索如何將聲波作為“隱形抓手”，用于操控電子芯片上的流體流動(dòng)和微小顆粒。然而，當(dāng)前片上聲波技術(shù)面臨關(guān)鍵瓶頸：電子芯片中普遍采用的叉指換能器（IDT）通常只能產(chǎn)生單一平面聲波，難以生成高度可定制、可彎曲或可疊加的復(fù)雜聲場(chǎng)，而這些能力正是實(shí)現(xiàn)微粒捕獲、聲波路徑引導(dǎo)和流體輸運(yùn)所必需的。

在實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)嘗試?yán)寐暡ā白ト　比梭w血栓或培養(yǎng)皿中的微小細(xì)胞，但傳統(tǒng)IDT產(chǎn)生的平面聲波只能推動(dòng)目標(biāo)在平面內(nèi)移動(dòng)，難以實(shí)現(xiàn)空間操控。為此，需要構(gòu)建能在微尺度上完成復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和精細(xì)操作的“聲學(xué)手指”，以實(shí)現(xiàn)微小目標(biāo)的精準(zhǔn)操控。

團(tuán)隊(duì)重新設(shè)計(jì)了聲波發(fā)射器幾何結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化了電極排布。通過(guò)在芯片中引入高度可定制的相位分布，他們構(gòu)建出彼此交叉并協(xié)同作用的聲波場(chǎng)，使聲波能夠像“手指”一樣被引導(dǎo)、彎曲和協(xié)同控制。

研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了多種新型片上器件方案，可在不同尺度和功率下運(yùn)行，并生成不同能量分布的聲波。通過(guò)相位編碼調(diào)控，這些器件能以前所未有的方式對(duì)聲波進(jìn)行傾斜、彎曲和耦合。最終，這一整套機(jī)制被集成在單一電子芯片上，形成一體化聲波操控平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該平臺(tái)產(chǎn)生的聲波能量束在傳播距離和能量集中度方面均優(yōu)于傳統(tǒng)IDT。

該技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)在于“適應(yīng)性”。團(tuán)隊(duì)能精確控制聲波的能量傳播方式，使其適用于不同需求，如聲波路徑引導(dǎo)、流體和顆粒操控。這項(xiàng)成果不僅開創(chuàng)了可編程片上聲波操控的新方法，也為未來(lái)在微納制造、半導(dǎo)體散熱及生物傳感等多領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

總編輯圈點(diǎn)

聲波跑得慢，但慢也有慢的好處。高頻聲波很容易被限制在微小的結(jié)構(gòu)中，各通道間信號(hào)不容易串門。聲波芯片被認(rèn)為有望成為量子和經(jīng)典信息處理芯片上的信息載體。此次，科研人員不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)聲波的控制，還開發(fā)了多種片上器件方案，讓聲波能夠適應(yīng)不同任務(wù)，還能像手指一樣精確操控微小目標(biāo)。“訓(xùn)練有素”的聲波可以干很多事，比如抓取特定細(xì)胞，或者操控微流體定向流動(dòng)。技術(shù)成熟后，我們還可搭建基于聲波的高性能電子器件和網(wǎng)絡(luò)通道。