不是魔术!以声波操纵物体移动,无创手术创新工具“声钳”诞生

手术台上,外科医师有条不吝地操作着手术刀、剪刀、镊子、止血钳等器具,这是我们熟知的手术情景;但未来,可能有一种不用动刀、不用见血的“声钳”医疗技术,可让医师在不碰触患者的前提下执行一系列医疗行为。

2 个月前,高龄96岁的Arthur Ashkin 以1986 年开发的光钳(optical tweezers,也称光学镊子)技术荣获2018 年诺贝尔物理学奖,这种工具利用光线的辐射压来操纵极微小物体,比如人体细胞。

现在,科学家设法将相同原理转移到声学领域,也就是声钳(acoustic tweezers):利用多道声波组成复杂声场,操控声场中的物体。这些年来,我们看过一系列漂亮的声钳技术,比如把水滴悬浮在半空中、一种很像外星飞碟用来抓人类的“声波曳引束”等,虽然就目前生活而言不怎么实用。

但若应用在生物医疗领域,声钳将大放异彩,比光钳还更具优势。这是因为激光光只通过透明介质传播,如果要在人体组织内游刃有余的操作,能安全穿透人体的声钳会比光钳更有开发前景。

来自英国布里斯托大学的超音波工程学教授Bruce Drinkwater 与西班牙纳瓦拉大学的计算机科学家Asier Marzo Pérez,现在已经成功研发出能操纵微小物体的声学悬浮设备,且可同时将多个物体往不同方向移动,团队将之称为全像声钳(Holographic Acoustic Tweezers,HAT)。

(Source:纳瓦拉大学)

原型设备是两面“音响数组”,一面数组有256 个宽度各仅1 厘米的音响,彼此相对(距离23 厘米)形成错综复杂的声场,而音响发出的声音频率极高,达40kHz(4 万赫兹),人耳听不到。

在该声场中,“高强度区域”会排斥物体,“低强度区域”则成为物体安顿的避难所,通过控制每个音响发声的时间点,研究人员成功在声场内移动25 个保丽龙小球,不只可以操控它们跳一场空中舞蹈,甚至还能叫它们穿针引线“缝衣服”。

在声场内以声波控制线穿过洞,详细实验过程可于下方视频欣赏。 (Source:纳瓦拉大学)

这项技术让我们看见一个令人激动的未来:外科手术可能不必“开刀”了,医师将直接操纵无形的声钳于你体内进行手术。新论文发布在《美国国家科学院院刊》(PNAS)。