科学家借声音操控水波有望解决浮油清理难题

Henan University

据了解，一个国际研究团队开发出一种方法，利用声音在水面产生不同类型的波型，并利用这些波型精确控制和引导漂浮物体。虽然这项技术仍处于开发的早期阶段，但科学家们表示，进一步的研究可能会产生有助于围堵和清理石油泄漏及其他污染物的波型。再进一步，在微米尺度上，基于这项研究的光波可用于生物应用中的细胞操控；通过采用机械手段将这项研究放大，产生数百倍大的水波，经过优化设计的水波模式或许可用于发电。

该团队进行了实验室实验，他们生成了拓扑波结构，如涡旋（水绕着一个中心点旋转）、莫比乌斯带（使水扭曲并绕成环形）和斯格明子（波在三维空间扭曲和转向）。

新加坡南洋理工大学助理教授Yijie Shen是这项研究的共同负责人，他说：“我们能够利用这些模式控制小到一粒米、大到一个乒乓球大小的物体的运动，这是前所未有的。有些模式可以像无形的镊子一样将物体固定在水面上，而其他模式则会使物体沿着圆形或螺旋形路径移动。”

威尔士卡迪夫大学应用与计算数学的高级讲师Usama Kadri在评论这些发现时指出：“这项研究在概念上具有创新性，代表了利用声音产生水波方面的一项重大进展。”正在研究声重力波（受重力和浮力影响的声波，https://news.mit.edu/2015/acoustic-gravity-waves-transport-tsunamis-0203）的Kadri补充说：“这些发现可以成为流体动力学、波动物理学和拓扑场论等学科之间的桥梁，并为远程操控和捕获不同大小的粒子开辟了一条新途径。”

用于产生波的3D打印结构

实验室装置由基于计算机模拟精心设计的3D打印塑料结构组成，包括一个六边形结构和一个环形结构，每个结构都部分浸没在一个水箱中。来自普通现成扬声器的橡胶管连接到从结构顶部突出的精确定位的喷嘴上，用于向六边形装置传输连续的6.8赫兹低频声音，或向环形装置传输9赫兹的声音。这些声音使水面振荡并产生所需的波型。特定声音的振幅、相位和频率可以用笔记本电脑进行调节，这样当波在水箱中相遇并结合时，它们就会产生先前通过计算机模拟得出的复杂模式。这些研究结果于2月发表在《自然》杂志上（https://www.nature.com/articles/s41586-024-08384-y）。

这些波型所施加的力与光学和声学系统中的力相似，包括强度会发生变化的梯度力，这种力能将物体吸引向波最强的部分，就像树叶向漩涡中心移动一样；还有辐射压力，它会将物体沿着波传播的方向推动。

“我们产生的波型是拓扑性的且稳定的，所以即使水中有一些干扰，它们也能保持形状，”Yijie Shen说，“这是我们想要进一步研究以更好地理解其中原理的内容。”

Yijie Shen之前的研究是利用光波创造可用于捕获和移动微小金属颗粒的复杂模式。他想知道水波是否也可能出现同样的现象。在与西班牙多诺斯蒂亚国际物理中心的理论物理学家Konstantin Bliokh讨论这个想法之后，Yijie Shen与中国复旦大学和河南大学的实验物理学家合作开发这些结构并测试这个想法。

这仅仅是第一步，所以还有很多工作要做，首先要研究的是能否在水下而不仅仅是在水面产生3D拓扑波型，”Yijie Shen承认道，“但这项研究为波致力学中可能的新应用开辟了道路。”

Kadri指出，在海洋中运用这项技术与进行实验室实验完全是两码事。他提到，在公海大规模产生并维持结构化波将面临许多环境挑战，例如噪音和声能消散，这些都会干扰波的传播及其结构。而且在处理石油泄漏等事故时，“此类泄漏物可能会分散，因此需要单独操控，从而导致波型相互干扰。”

然而，Kadri指出，这项研究为控制水波的新方法奠定了基础。他还补充说：“这可能也会鼓励对其他理论机制（包括声重力波）进行验证，以便在深海中操控移动的粒子，从而有助于将营养物质导向海洋生物并控制那里污染物的扩散。”