科技日报记者 陆成宽
不用复杂的多通道电子相位调制，一块薄板就能让上面的小颗粒自己转圈、绕行。这不是科幻，而是我国科学家的新成果。记者27日从中国科学院声学研究所获悉，来自该所等单位的科研人员把“漩涡”所需的相位信息直接“刻”进薄板结构里，实现了跨尺度表面物体操控，从亚毫米级小颗粒到厘米级轻质结构件，都能在板面上被“抓住”、绕行，甚至持续旋转。相关研究成果发表于《先进科学》杂志。
在微机械、微机器人和智能制造等领域，如何利用波场操控物体，一直是个热门研究问题。涡旋波具有螺旋相位结构，携带轨道角动量，能像水流中的漩涡一样，通过动量传递驱动物体旋转和绕圈。但传统方法要产生复杂的涡旋波场，得靠多通道相控阵列或动态波前调控系统，电子控制系统复杂，相位同步精度要求极高，成本也不低。
能否不用复杂的电子相位调制，只靠结构本身来实现？此次，科研人员想出了一个巧妙的办法：用迷宫型亚波长单元作为局域相位调控载体，把目标涡旋所需的方位相位信息，直接“编码”进结构的空间排布里。“不需要电子相位调制，只用单通道激励，就能在薄板中产生指定拓扑荷的弯曲波涡旋。换句话说，薄板本身就像一张预编程的唱片，纹路怎么刻，波就怎么转。”论文共同通讯作者、中国科学院声学所研究员赵流现解释。
实验测量显示，薄板中形成的波场呈现出明显的涡旋特征：波纹绕着中心转圈，中心位置反而比较平静，振幅很低。这种非均匀的振动分布会形成径向约束趋势，同时涡旋波携带的轨道角动量又会通过动量传递产生切向驱动。一边约束，一边推着，物体就能在板面上绕着涡旋中心转圈、绕行。
值得一提的是，这套方法对大大小小的物体都管用。亚毫米级的小颗粒，可以稳稳待在漩涡中心附近，也可以沿着外围一圈一圈地跑；毫米级的颗粒，能围绕漩涡中心做稳定的轨道运动；就连厘米尺度的轻质结构件，也能在波场作用下持续旋转。从亚毫米到厘米，一块薄板全搞定。
赵流现表示，这项研究为实现被动结构编码的物体操控提供了新思路，不用复杂的多通道电子调相系统，靠一块预先“刻”好结构的薄板，就能让物体实现局域、绕行和旋转。未来，这种技术有望用于表面颗粒输运、微机械驱动和智能结构等领域，让微小物体在芯片或材料表面自动“跑”起来。
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