文：漫科普
编辑：窗敲雨
打开开关，散落在水中的白色细小颗粒仿佛突然听到了召唤。它们“听话”地聚集在一起，在水中勾勒出了人们熟悉的图案——那是毕加索笔下的和平鸽。关掉开关，和平鸽的图案又会消散无形。
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通过控制声场中的声强大小可使有机硅（聚二甲基硅氧烷）颗粒形成和平鸽图形。颗粒直径为150μm。视频来自：参考文献1
在水中让悬浮颗粒“排好队”的，其实是声波。德国马普研究所的研究人员开创了一种简单有效的声波控制方法，只需要一片特殊形状的3D打印塑料片，再加上一台简单的声音换能器，就可以控制声波完成水中“绘画”了。
这种新方法和现有技术相比，具有精密度更高、速度更快、成本更低的优点，该成果将有助于改善医疗成像并推动超声的新应用。相关论文于9月21日发表在《自然》期刊上[1]。
声音的本质是振动，它们传递着能量。物理学上认为声音，特别是超声，能够像磁铁产生磁场那样，产生具有能量的“声场”。声场能将能量传递给其它物质，周星驰拍摄的电影《功夫》中，包租婆惊人的狮吼功就是传输声波能量产生的杀伤力。
只要声场足够强，它就可以“隔空”操控液体或空气中的小颗粒了。同时，作为一种波，声波也会发生干涉、衍射，在声场中形成不同的能量密度分布。而这个能量分布图，就是“声全息图”。能量分布不同，对物体的影响也有差异，于是，通过控制声场，就可以让其中的小物体排列成不同的样子。
这种控制技术之前就已经存在。科学家们会把一系列换能器排成阵列，分别控制它们输出的声波信号，以此来形成所需的声场。这样能够让小物体悬浮在声波驻波的波节附近，还能控制它们移动。
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此前，日本研究者用超声波相控阵列控制了小物体的三维移动。
不过，这种技术也面临一个问题：设备复杂、价格昂贵，而且要想实现精细的控制，输出声波的阵列就必须做得更加复杂、设备数量更多，这就限制了技术的应用推广。
而这一次，马普研究所报道的新方法只需要花几元钱的成本，就可以制造出一个精细控制的声场。他们的秘诀是一块计算机设计、3D打印的塑料片。
通过这种新方法画一只和平鸽，只需要以下几个步骤：
第一步，先选好想要的图形。
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第二步:使用一种专业的计算方法——迭代角谱法(IASA)，算出和平鸽的衍射图样，即将和平鸽图样转换为全息术能够识别的“水波纹”。
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迭代角谱方法(IASA)计算得出的和平鸽图案相位分布图 （2.06 MHz 超声波）。图片来自：参考文献1
第三步：用3D打印机按照上一步计算出的“波纹”，打印出一块凹凸不平的塑料片。这塑料片的“波纹”看似杂乱，但其中所蕴含的，正是我们需要的和平鸽图案。
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透射和平鸽图案全息图的塑料片（边长50mm）。图片来自：参考文献1
第四步：把塑料片覆盖到换能器上。在塑料片比较厚的地方，声波要花更长时间才能通过。这样一来，换能器发出的声波在通过塑料片之后，原本平均的信号就会发生“扭曲”，产生不同的相位分布。
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换能器产生的声波通过塑料片转换为平面图像
第五步：经过转换之后，声波在水中传播。不均匀的声波在水中产生了压力差。
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研究人员模拟出水受到的压力大小数值，可以看出声压不均匀的分布，红色代表压力较大，而蓝色部分代表压力小。
研究人员在水中放入一个装着有机硅小颗粒的透明容器。打开开关，声压就会推动透明容器中的小颗粒。声压大的部位，就会把有机硅小颗粒从容器底器推举到容器顶部。最终，小颗粒就排列出了与声压密度分布一致的“和平鸽”图案。
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“描绘”和平鸽的实验装置立体构造图
除了平面图案，3维控制也同样不在话下。下图中，就演示了喷雾的小水滴在声场中悬浮，组成了立体图案：
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原视频来自：nature video
同样，在设计好的声场中，一只小纸船也可以按照既定轨道游动。
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原视频来自：nature video
画和平鸽、开小纸船很有乐趣，但这项技术的用处可远不止于此。用简单、高效、快速的方法营造出一个复合声场，能沿特定路径移动液体中的固体，也可以将固体和液滴悬浮于空气中，这可以说在声学控制领域里做到了一定范围和程度上的“为所欲为”。经过改进后，这项技术可以广泛应用到各种非接触式的材料处理当中。
当然，这项技术目前最主要的应用方向还是无损检测、医用超声波诊断以及治疗。基于其自身的三大优点可以有效提高医疗成像水平和引导新一轮的超声应用：例如实现对速度和精密度要求更高的超分辨率成像、局部加热以及个体化用药等等。
参考资料：Kai Melde, Andrew G. Mark, Tian Qiu, Peer Fischer.Holograms for acoustics. Nature, 2016; 537 (7621): 518 DOI: 10.1038/nature19755
不相干的东西严丝合缝拼在一起就觉得爽，是强迫症吗？![]()
