摘要：一组国际研究人员开发出一种方法，利用声音在水面上产生不同类型的波浪图案，并利用这些图案精确控制和引导漂浮物体。尽管这项技术还处于开发初期，但科学家们表示，进一步的研究可能会产生波浪图案，以帮助控制和清理石油泄漏和其他污染物。更远一点，在微米尺度上，基于这项研究

一组国际研究人员开发出一种方法，利用声音在水面上产生不同类型的波浪图案，并利用这些图案精确控制和引导漂浮物体。尽管这项技术还处于开发初期，但科学家们表示，进一步的研究可能会产生波浪图案，以帮助控制和清理石油泄漏和其他污染物。更远一点，在微米尺度上，基于这项研究的光波可用于操纵细胞，用于生物应用；通过扩大研究规模，使用机械手段产生数百倍大的水波，经过优化设计的水波图案可能用于发电。

研究团队在实验室中进行了实验，生成了拓扑波结构，如涡流（水围绕中心点旋转）、莫比乌斯带（使水扭曲并绕成一个圆圈）和天元（波浪在三维空间中扭曲和转动）。

“我们能够利用这些图案来控制小到米粒大到乒乓球的物体的运动，这是以前从未实现过的，”新加坡南洋理工大学助理教授、这项研究的共同负责人沈逸杰说。“有些图案可以像隐形镊子一样将物体固定在水面上，而其他图案则使物体沿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讲师乌萨马·卡德里在评论这一研究成果时指出：“这项研究在概念上具有创新性，代表了利用声音产生水波的重大进展。”正在研究声重力波（受重力和浮力影响的声波）效应的卡德里补充道：“这些发现可以成为流体动力学、波物理学和拓扑场论等学科之间的桥梁，并为远程操纵和捕获不同尺寸的粒子开辟一条新途径。”

用于产生波浪的 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，包括六边形结构和环形结构，每个结构都部分浸没在水箱中。单个现成扬声器的橡胶管连接到从结构顶部伸出的精确定位的喷嘴上，用于向六边形装置传送连续的低频 6.8 赫兹声音，或向环形装置传送 9 赫兹声音。声音使水面振荡并产生所需的波形。可以使用笔记本电脑调整特定声音的振幅、相位和频率，这样当波浪在水箱中相遇并结合时，它们就会产生之前使用计算机模拟得出的复杂图案。该研究结果于 2 月发表在《自然》杂志上。

波浪图案施加的力与光学和声学系统中看到的力类似，包括强度变化的梯度力，可以将物体吸引向波的最强部分，例如移动到漩涡中心的树叶；以及将物体推向与波移动相同方向的辐射压力。

“我们生成的波浪图案具有拓扑结构且稳定，因此即使水中出现一些扰动，它们也能保持形状，”沈说。“我们希望进一步研究这一点，以便更好地了解正在发生的事情。”

沈教授之前的研究是利用光波创造复杂的图案，用于捕获和移动微小的金属颗粒。他想知道同样的现象是否也可能发生于水波中。在与西班牙多诺斯蒂亚国际物理中心的理论物理学家康斯坦丁·布利奥赫讨论了这个想法后，沈教授与中国复旦大学和河南大学的实验物理学家合作开发了这种结构并测试了这个想法。

“这只是第一步，还有很多工作要做，首先要研究是否可以在水下而不是仅在水面上产生 3D 拓扑波浪模式，”Shen 承认。“但这项研究为波浪诱导力学的新应用开辟了道路。”

但卡德里表示，在海洋中操作该技术与在实验室中进行实验完全不同。他指出，在公海大规模产生和维持结构化波浪将面临许多环境挑战，例如噪音和声音消散会干扰波浪的传播及其结构。在

处理石油泄漏等事故时，“此类泄漏可能会破裂，因此需要单独操作，从而导致波浪模式相互干扰。”

尽管如此，卡德里指出，这项研究为控制水波的新方法奠定了基础。他补充说：“它还可能鼓励验证其他理论机制，包括声学重力波，用于操纵深海中的移动粒子，从而有助于将营养物质引导至海洋生物并控制污染物的扩散。”

来源：科技公式