期刊：Science Advances (IF=12.5)
发表日期：2026年1月1日
DOI: 10.1126/sciadv.adz4301
声镊技术利用超声波的机械效应实现微纳米粒子的无接触操控，在生物医学工程中具有广泛的应用前景，如细胞分选、3D细胞培养和生物形态表型分析等。传统的声镊技术主要基于驻波场，但其操控灵活性受限于简单的声场配置。近年来，拓扑绝缘体作为一种新型人工结构，在声波操控领域展现出巨大潜力，能够实现负折射、鲁棒波导和声学局域化等非凡物理现象。然而，如何在拓扑声场中实现复杂路径上的鲁棒质量传输仍然是一个挑战。
中国科学院深圳先进技术研究院郑海荣院士、李飞研究员及华中科技大学祝雪丰教授团队提出了一种基于拓扑声学的新型声镊技术，通过构建局部可调的驻波场，实现了沿任意设计轨迹的鲁棒质量传输。该技术利用拓扑保护的驻波场，通过精确相位调制实现粒子的连续传输，并展示了对结构缺陷的免疫能力。这项研究不仅为研究拓扑声场中的辐射力效应奠定了基础，还为声流体学和生物医学工程的发展提供了新的技术手段。上述成果以“Demonstration of topological acoustic tweezing for robust mass transport”为题，发表在《Science Advances》期刊上。
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研究创新点
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🔵拓扑声镊技术的开发：提出了一种基于拓扑声学的声镊技术，通过构建局部可调的驻波场，实现了沿任意设计路径的鲁棒质量传输。这种技术利用拓扑保护的声场，显著提高了粒子操控的灵活性和稳定性。
🔵对结构缺陷的免疫能力：展示了拓扑声镊在存在尖角、空腔等结构缺陷时仍能实现稳定的粒子传输，克服了传统声镊技术在复杂结构中传输受限的问题，为实际应用中的鲁棒性提供了重要保障。
🔵多功能质量操控：通过动态相位调制和多端口设计，实现了粒子在复杂路径上的连续传输和循环操控，拓展了声镊技术在微流体操控中的应用范围，为多功能微流体操控提供了新的技术手段。
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研究图文解析
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图1展示了基于拓扑声学绝缘体的声镊系统设计及其工作原理，通过构建具有拓扑保护的驻波场，实现了沿任意设计路径的质量传输。该图通过示意说明了拓扑声镊在微流体质量操控中的应用潜力，突出了拓扑保护声场在粒子操控中的优势。
图2通过模拟和实验验证了在直线拓扑波导中实现的鲁棒质量传输，展示了粒子在相位调制下的运动轨迹。该图揭示了拓扑声镊在直线通道中对粒子的高效操控能力，以及其对结构缺陷的免疫特性，为复杂介质中的粒子操控提供了实验依据。
图3研究了在具有尖角和空腔缺陷的拓扑波导中实现的鲁棒质量传输，实验结果表明粒子能够顺利通过缺陷区域并沿预定路径稳定传输。该图强调了拓扑声镊在复杂结构中的操控优势，展示了其在实际应用中的鲁棒性和灵活性。
图4展示了拓扑质量循环的实验结果，通过在不同端口之间切换声源的相位调制，实现了粒子在多个端口之间的循环传输。该图证明了拓扑声镊在实现复杂路径粒子操控方面的多功能性，为微流体操控和生物医学应用提供了新的技术思路。
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总结与展望
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本文通过构建拓扑声学绝缘体，实现了沿任意设计路径的鲁棒质量传输，展示了拓扑声镊在复杂结构中的操控能力。这种技术不仅提高了声镊的操控灵活性和鲁棒性，还为声流体学和生物医学工程提供了新的技术手段。未来的研究可以进一步探索拓扑声学在其他波系统中的应用，如表面声波和弹性波，并将其与微流体芯片集成，开发出更多功能强大的微流体操控平台。
