今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及基于智能算法的光波长路由纳米器件、多元材料4D打印技术助力可变形的网状结构设计制造、自旋翻转光束分割的光异质结构、广泛可调异常热膨胀模式的二维力学超构材料、有限维双稳态拓扑绝缘体等敬请期待！
索 引
1.基于智能算法的光波长路由纳米器件
2.多元材料4D打印技术助力可变形的网状结构设计制造
3.自旋翻转光束分割的光异质结构
4.注入压缩光降低宽带量子辐射压力噪声
5.具有广泛可调异常热膨胀模式的二维力学超构材料
6.利用介电超表面实现光学振幅和相位的完全独立控制
7.集成光子电路中的谷扭态和拓扑通道交叉
8.有限维双稳态拓扑绝缘体
9.兆赫分辨率可编程宽带光场光谱整形技术
10.基于结构色散的近零介电系数和表面等离激元极化波的损耗降低
11.单分子定位显微镜的非线性反演问题
12.表面声波耦合声子谐振器中的偶极子态及其相干作用
13.利用量子基态的机械振荡器进行微波到光学的转换
14.Science: 扭曲度变化制冷器
15.基于磁调控相干成像和深度学习的计算细胞仪
以光子为信息载体的集成纳米光子器件在光通信、光信息处理、光计算等领域有着广泛的应用。光波长路由纳米器件是光子芯片的重要组成部分，能够将不同的入射光波长分离并引导到不同的输出端口。随着信息技术和大数据时代的发展，对集成度的要求越来越高，包括尺寸更小、带宽更大、损耗更低等。然而，传统的基于光学微腔、光子晶体、光栅、表面等离激元等结构设计的波长路由纳米器件难以同时满足上述系列要求。在传统波长路由器件设计过程中，通常需要确定的器件结构和模型，优化结构参数需要大量的计算资源和较长的时间，且优化过程存在严重的局限性，限制了此类器件的进一步发展和实际应用。
北京理工大学路翠翠研究员同北京大学胡小永教授、北京理工大学张向东教授合作，提出了一种将有限元方法与遗传算法结合的智能算法，能够预测新型结构，在全参数空间自动探索寻优，得到满足光子芯片要求的片上波长路由纳米器件。他们成功设计并在实验上实现了超小型宽带易集成的光波长路由纳米器件。工作在近红外通讯波段，器件尺寸只有1.4 μm × 1.8 μm，这是目前国际上最小的片上光波长路由纳米器件。利用该智能算法能够同时实现宽工作波段、高透射率、多通道大信息容易输出；并且可以很方便地实现任意线性光学材料(介质和金属等)、不同通道、不同结构单元数量或尺寸的各种波长路由器件。此外，器件结构简单，易于制备，适合片上集成应用。该工作为纳米光子波长路由器件的通用设计提供了一种新的方法，能够改变人们通常的设计纳米光子器件的思路，将极大地促进纳米光子集成器件的发展，以及在高集成度光子芯片中的应用。相关研究工作近日发表在光学领域的顶级期刊Optica（IF：9.26）上。合作者还包括清华大学物理系刘永椿副教授和南昌大学理学院王慧琴教授。
文章链接：
Zhouhui Liu, Xiaohong Liu, Zhiyuan Xiao, Cuicui Lu,* Hui-Qin Wang, You Wu, Xiaoyong Hu, Yong-Chun Liu, Hongyu Zhang, and Xiangdong Zhang, "Integrated nanophotonic wavelength router based on intelligent algorithm", Optica 6, 10, 1367-1373 (2019). https://doi.org/10.1364/OPTICA.6.001367
形状可调控的结构材料有非常广阔的应用前景。从部署系统和动态光学再到软体机器人和移频天线,通过使用3D和4D打印技术已经带来了巨大的进步。然而,要真正发挥这些方法的潜力,就需要能够调控任意形状三维结构(例如控制空间和时间中每一点的度规张量)。这样就定义了长度和角度在每个地方具体是如何变化的。对于平面内尺寸比厚度大得多的薄板，这在数学上等价于指定中间曲面的第一和第二基本形式。薄的变形结构在变形成复杂的双弯曲形状的能力上常常受到限制。这种转换既需要大的平面内的伸缩梯度，又需要控制外部曲率，而这在简单的结构中单材料很难实现，仍然具有一定的挑战性。
近日，波士顿大学机械工程系J. William Boley等人利用多种材料、几何和四维(4D)打印的组合来创建结构化的异构网格，从而克服了这个问题。实验所用的打印墨水是由可调交联密度和各向异性的材料填充,从而可以精确控制打印结构体的弹性模量(E)和热膨胀系数(α)。油墨以网格的形式打印，具有弯曲的双层肋骨形状，其几何结构是经过独立人工微结构调控的，以实现对度量张量的局部控制。为了独立控制外部曲率，科研人员创建了由4种材料组成的复合双层肋骨结构，这样一来就能够编码形状随温度变化的广泛的三维(3D)结构。同时，作为展示的范例，该团队设计并打印了平面网格，将其变形为频移天线和人脸形状，分别展示了其功能和几何复杂性。该逆向几何设计和多材料4D打印方法可以很容易地拓展到其他激励响应的材料和不同的二维(2D)和三维单元设计中去，以创建可伸缩的、可逆的、具有空前复杂性的形状变化结构。总之，该多材料4D打印点阵为可调天线、动态光学、软机器人和可展开系统的复杂形状变形结构的集成设计和制造提供了一个通用的平台，这是以前无法实现的。相关研究工作近日发表在《PNAS》上。
文章链接：J. William Boley et al, Shape-shifting structured lattices via multimaterial 4D printing, PNAS(2019).
doi/10.1073/pnas.1908806116.
如果对象无法通过平移和旋转变换叠加在其镜像上，则该对象是手性对象。奇性是我们自然生活中普遍存在的几何特性，从宏观结构（如人手）到微观结构（如分子）不一而分。已知手性对材料中的电子传输、光反应和磁性斯格明子；药物的药理作用；和在各个学科的其他非平庸现象有显著影响。由于对不同学科的深刻影响，手性相互作用的研究和操作引起了科学家的持续兴趣。特别是，手性光学研究循环极化光与手性介质相互作用时的行为。由于分子的大小和光的波长不匹配，自然产生的材料中的鸣光效应通常非常弱。
理解和控制手性很重要，因为它在性质上无处不在。近年来，我们见证了手性超材料的快速发展，具有卓越的光操纵能力。来自山东大学的Zuojia Wang研究小组提出了手性光子学中光子异质结构的设计，证明从手性元表面堆积的光子异质结构可以产生独特的声光功能。基于二维边界的对称群和微观双极相互作用的分析揭示了光子异质结构中层间耦合的隐含机制。通过翻转堆叠，光子异质结构产生非对称手性阶段，因此，提供事件光子的完全自旋翻转散射。具有任意极化方向的入射电磁波可以有效地分离成两个具有正交轨迹的正交圆极化波，从而获得理想的圆形波束分割器。通过测量散射矩阵，在微波频率上实验演示了这种效应。由于其通用性和可扩展性，光子异质结构方法可能为探索宽波长范围内的有趣和先进的超材料开辟一条替代途径。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。
文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12. 044009
海森堡测不准原理指出，一个物体的位置不可能被无限精确地知道，因为那时这个物体的动量将是完全不确定的。这种动量的不确定性会导致未来测量中的位置不确定性。当连续测量一个物体的位置时，这种被称为反向作用的量子效应限制了其可达到的精度。在声频干涉型引力波探测器中，这种反作用力表现为量子辐射压力噪声(QRPN)，限制其探测的灵敏度。当先进的激光干涉仪引力波天文台(LIGO)、先进的Virgo和KAGRA等引力波探测器接近设计灵敏度的极限时，量子噪声将成为大多数探测波段的主要噪声源。量子噪声产生于探测测试质量位置的光的量子性质。构成相干态的单个光子是不相关的，其波动服从泊松统计。在光检测时，这些波动被称为散粒噪声(SN)，它们限制了读出灵敏度。当光子从测试质量上反射时，这些波动产生波动动量转移到测试质量上，并扰乱其位置;这被称为量子辐射压力噪声，QRPN(有时也称为辐射压力SN)。
近日，澳大利亚国立大学物理研究学院量子科学系Min Jet Yap等人研究了在室温、远离光学弹簧位移的机械共振和GW探测器相关频率下如何降低宽带QRPN提出了使用光的量子工程技术来直接操纵这个量子反向作用，在一个系统中，它在10~50 kHz范围内具有很高的灵敏度。实验中研究人员观察到量子反向作用噪声降低了1.2 dB。本实验是减小未来干涉型引力波探测器的QRPN和提高其灵敏度的关键一步。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。
文章链接：Min Jet Yap, et al, Broadband reduction of quantum radiation pressure noise via squeezed light injection, Nature Photonics,(2019).
doi.org/10.1038/s41566-019-0527-y.
加热时，大多数固体材料的原子键拉长，表现为体积的膨胀。由于加热而改变形状的材料支持在电子和光学系统、可部署或[变形结构]和有源超材料中的丰富用途。这些应用激发了人们对提供非常规热膨胀行为的系统的兴趣。在原子水平上，热激活、分子单位的几何旋转，会导致散装固体的体积异常变化。通过类比，具有不同热响应的架构成分之间的机械或结构相互作用在可用的内部空间内引起局部弯曲或旋转运动，从而产生可调热膨胀或收缩反应。使用基于重入几何体的工程 2D 和 3D 双材料晶格或微观结构可以产生较大的各向异性热膨胀系数（CTE），在自然存在的材料中几乎没有等效物。
在大多数天然材料在加热时向各个方向均匀地扩展。以前的研究利用不同的设计原理和制造技术来实现热膨胀的负或超低系数，但很少表现出不同行为的广泛可调谐性。来自Northwestern University的J. A. Rogers研究小组近期工作提供了一组二维材料结构，利用具有微米特征大小的双材料蛇纹，作为能够支持正负、各向异性/各向异性和均质/异构-热膨胀特性，在不寻常的剪切、弯曲和热膨胀梯度模式下具有附加功能。以这种方式实现的热膨胀张量控制为高级应变场工程提供了一个连续力学平台，包括加热时转换三维表面的二维超材料示例。集成的，热驱动电源和光学源提供可逆形状重构的功能，响应时间小于1 s，可以作为动态响应超材料的基础，相关研究发表在杂志《Advanced Materials》上。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.201905405.
能够任意控制光学波前从而实现任何物理上可能的线性光学功能是研究人员长期追求的目标。光波的四个关键特性是振幅、相位、偏振和光学阻抗。利用亚波长空间微结构在特定频率下调节这些特性，从而催生了一类由特定光学响应的亚波长结构组成的平面光学器件：超表面。通过设计这些单独的结构或“人工类原子”，并将它们适当地排列在表面上，可以实现许多特定的线性光学功能。
最普遍的线性光学装置是全息图。光学全息图的微观机制在于同时编码振幅和相位。由于超表面主要以调控相位为主，控制光学波前的能力受到限制，超表面全息图像通常使用仅控制相位的人工微结构来实现。
文章链接： Adam C. Overvig, Sajan Shrestha, Stephanie C. Malek, Ming Lu, Aaron Stein, Changxi Zheng, and Nanfang Yu, 'Dielectric Metasurfaces for Complete and Independent Control of the Optical Amplitude and Phase', Light: Science & Applications, 8 (2019), 92. https://www.nature.com/articles/s41377-019-0201-7
拓扑光子学是研究光子拓扑态的一门学科，近十年来受到了广泛的关注。拓扑光子学的研究表明，在拓扑光子系统中出现了各种边界/表面态及其独特的现象，包括手性/螺旋边界态传播、赝自旋动量锁定、拓扑保护负折射和费米弧表面态等。这些特性在光子学中得到了广泛的应用，如背散射免疫波导，鲁棒延迟线，拓扑波导分束器和拓扑激光器等。
谷自由度为提高信息处理能力和效率提供了一种新的途径，从而成为光子学的重要工具。最近的研究揭示了一类拓扑界面态，它们出现在具有相反谷陈数的区域之间的界面上，也被称为拓扑谷扭结态。光子拓扑谷扭态的实验研究已经引起了人们的广泛关注，但它们仅限于锯齿型的界面，在很大程度上限制了它们的应用。
近日，来自浙江大学、新加坡南洋理工大学和苏州大学的联合研究团队对亚波长集成光子电路中一般界面处的谷扭态进行了实验演示。通过测量扭结态通过扭曲界面和有障碍界面的传输，验证了扭结态的鲁棒性。基于一般界面处的谷扭态，研究人员实现了光子传输路径与交叉点几何结构相关的几种拓扑信道交叉。与以往的工作相比，这些谷光子晶体具有亚波长厚度和良好的自洽电屏蔽，与传统的基片集成光子电路完全兼容。这项工作为轻量级衬底集成电路中的光子谷赝自旋操作打开了一扇大门。
文章链接：Zhang, L., Yang, Y., He, M., Wang, H., Yang, Z., Li, E., Gao, F., Zhang, B., Singh, R., Jiang, J., Chen, H., Valley Kink States and Topological Channel Intersections in Substrate‐Integrated Photonic Circuitry. Laser & Photonics Reviews 2019, 1900159. https://doi.org/10.1002/lpor.201900159
近年来拓扑绝缘体由于其奇特的物理效应而广受关注。拓扑绝缘体的整体性质类似于体绝缘体，但是在其边界上出现拓扑保护的边界态。拓扑绝缘体的概念已经由电学领域扩展到不同的科学领域，包括固体物理、力学、声学、光学等。其中支持单向拓扑保护边界态的光子拓扑绝缘体为实现线性和非线性区域边界态传输和背散射抑制提供了一个有吸引力的平台。对于拓扑绝缘体而言，虽然已知两种不同拓扑结构的体介质在非闭合界面处的边界态特性，但在实际的有限维拓扑绝缘体中，完全沉浸在非拓扑环境中的边界的存在性仍然是个未知数。
近日，来自上海交通大学以及俄罗斯和英国的联合研究团队以小型蜂窝微腔柱阵列为例，构建了光学极化子拓扑绝缘体，从而表征了系统的拓扑性质是如何随着其维数的逐渐增加而建立的。考虑到微腔柱阵列中形成的极化子的耗散特性，研究人员考虑了损耗和谐振泵浦对系统的影响，从而构建出丰富的双稳效应。根据这一机制，小相位泵“选择”并激发特定的非线性拓扑边缘状态，这些状态沿结构外围沿方位方向循环，由外部外加磁场的方向决定。并指出了利用不同拓扑电荷的旋涡泵选择性激发不同边缘电流的可能性。具有拓扑平庸相位的泵浦“选择”并激发特定的非线性拓扑边界态，而边界态的旋转方向由外部外加磁场的方向决定。利用不同拓扑电荷的旋涡泵浦能够选择性激发不同边界态。
文章链接：Zhang, W., Chen, X., Kartashov, Y. V., Skryabin, D. V., Ye, F., Finite‐Dimensional Bistable Topological Insulators: From Small to Large. Laser & Photonics Reviews 2019, 1900198.
https://doi.org/10.1002/lpor.201900198
控制光的时间和光谱特性是许多应用的关键。例如,量子过程的相干控制, 电信系统关键功能的实现和微波光子学的应用。光学任意波形发生器（OAWG）的关键性能参数是可以合成的频率的总范围(带宽)和可以操纵光谱的光谱分辨率。前者定义生成的光波形的时间分辨率，后者确定其最大持续时间。这两个参数的比值(带宽/频率分辨率)被称为时间带宽积(TBP)，通常作为主要性能规范来评估给定系统可以生成的波形的复杂性。在迄今提出的众多方法中，傅里叶合成法仍然是最受欢迎的一种方法，事实上，基于这一原理的可编程脉冲成形装置在市场上已经可以买到。该方法基于用户定义的宽带相参光谱振幅和相位谱的滤波，例如，来自锁模激光器的短光脉冲。该方案已被证明适用于合成相对复杂的超宽带光波形，具有较大的时间带宽积(TBP > 100)。然而，这种解决方案提供的频率分辨率通常低于~10 GHz，这限制了合成波形的持续时间低于亚纳秒。目前最先进的光学波形时域和频域整形技术是基于宽带激光脉冲的振幅和相位线性谱滤波，例如，使用可编程脉冲成型机。这些技术的一个众所周知的基本限制是，很难将它们拓展到具有比几GHz更好的频率分辨率。
近日，法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学物理系Hugues Guillet de Chatellus等人提出了一种基于频移光路的自定义光场光谱整形方法。该方法使用单色光(CW)激光器、标准光纤元件和低频电子器件。这种技术能够有效地合成数百种光谱成分，并且可对这些成分进行相位和振幅调控，其光谱分辨率可以从几兆赫到几十兆赫不等。该技术用于直接生成时间超过100纳秒的任意射频波形，并且具有25 GHz以上的频率带宽。由于其灵活性和独特的特点，我们期待该光学波形整形技术将在物理、电信、微波光子学等领域有新的应用。相关研究工作近日发表在《Nature Communications》上。
文章链接：Hugues Guillet de Chatellus et al, Programmable broadband optical field spectral shaping with megahertz resolution using a simple frequency shifting loop, Nature Communications,(2019).
doi.org/10.1038/s41467-019-12688-3.
在过去的十年中，等离激元和纳米光子学经历了飞速发展，在光频率上引导，操纵和集中电磁场的能力有了很大的进步。利用等离激元波传播，可以观察到空气与等离激元介质（即具有负介电常数的薄膜之间的独特的波-质相互作用）。传统上，贵金属（例如银和金）由于其固有的频率色散（即类似Drude的响应）而被用作等离激元介质，在光频率下提供负介电常数。然而，这些金属表现出高水平的固有电阻损耗，能量损失较大。因此，人们积极地研究低损耗的等离激元体材料，包括在透明导电氧化物，高掺杂半导体，极性电介质，石墨烯和增益增强材料。
等离激元体的领域已大大影响了亚波长范围内光物质相互作用的研究。但是，在基于等离激元的波传播发展中，耗散损耗仍然是不可避免的障碍。尽管对具有中等损耗的不同材料进行了广泛的研究，但吸收仍然是该领域的主要挑战。来自University of Pennsylvania的Nader Engheta研究小组在理论上和数值上研究了一条减少传播等离激元波损耗的不同途径。没有关注基于材料的方法，而是利用波导中的结构色散来控制有效的材料参数，从而导致较小的损耗。通过两个示例说明了这种方法的潜力：在体介电系数（ε）-近零介质中的平面波传播和介电常数为负的介质界面处的表面等离激元极化子传播，提供了在中红外频率上实际实施的方法。这项结果代表了低损耗等离激元体技术发展的重要一步相关研究发表在杂志《Science Advances》上。
文章链接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.aav3764
单分子定位显微术（SMLM）能够显示以前由于分辨率限制而被认为是不可能看到的小生物结构。SMLM通过重复成像样本中的一小部分随机荧光分子，创建具有稀疏支撑的图像，从而在确定分子位置时具有极高的精确度。这些技术在一定程度上牺牲了时间分辨率，但至少提高了1个数量级的空间分辨率。
SMLM数据集虽然通常以图像格式显示，但实际上是一组高度精确的定位坐标。然而，无论何时进行SMLM实验，人们的科学兴趣通常是获得有关生物分子在样本中的空间分布的知识。尽管它们的精度很高，但定位坐标与分子的真实定位有一定的误差。同时，实验中的任何2个定位都有有限且不均匀的可能性，它们可能来自同一空间位置（误差范围内，即来自同一像素），有时也可能来自完全相同的目标分子。因此，SMLM图像是最佳的真实分子分布的近似测量，也就是真实分子如何分布的一般问题，我们称之为θ。
（a）成像目标空间分布的真实图案。（b）用直方图表示法（第一列）或高斯点表示法（第二列）模拟SMLM图像，θˆ图像（第三列）由50次迭代的SMLM数据计算得出，θ¯图像（第四列）是从一次运行中计算出来的，在1000次迭代优化之后得到，还绘制了同一SMLM图像（直方图表示）的Richardson-Lucy反卷积结果（第五列）进行比较。所有计算都在8纳米网格上进行。n值表示用于每个SMLM图像的不同数量的局部化次数的结果。（c）与b相同，只是SMLM数据是通过STORM模型而不是PAINT数据模型生成的。
文章链接：https://www.pnas.org/content/116/41/20438
DOI：10.1073/pnas.1912634116
表面声波耦合声子谐振器中的偶极子态及其相干作用
在经典物理学的背景下，控制介观物体中的机械振动有着悠久的历史。纳米力学、光力学、量子声学等相关推动在微尺度上控制机械振动从基础研究到实际应用领域。使其在传感或信息处理方面有着重要的应用，
近期，来自Université de Bourgogne Franche-Comté的Sarah Benchabane课题组的研究人员，在在微观尺度上操纵机械运动方面取得了重大进展。他们提出了一种基于一对局域化机械谐振器和行进表面声波（SAW）之间相互作用的方法。文中展示了双向相互作用的存在，允许使用SAW来触发和控制谐振器的振荡，并通过谐振器耦合来操纵压电衬底上的声表面波弹性能量分布。继而通过激光干涉仪观察谐振器运动的情况，揭示其相互作用存在两种耦合机制，即在较小的分离距离下为类双极性相互作用(dipoledipole-like interaction)，而在较大的分离距离下则是表面介导的机械耦合机制(a surface-mediated mechanical coupling)。这些结果说明了该平台在共振器水平上相干控制机械振动的潜力，并反过来证明可以利用亚波长元件来操纵SAW传播。该研究工作发表在《Nature Communications》杂志上。 
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-019-12492-z
利用量子基态的机械振荡器进行微波到光学的转换
微波和光学领域中信号之间的转换对于经典通信和未来超导量子计算机连接到全球量子网络都非常重要。对于量子应用，转换效率必须是高效的，并且要求在附加经典噪声的情况下也能正常工作。虽然使用机械换能器已经证明能够有效的转换，但是迄今为止它们都是在相当大的热噪声背景下工作的。近期, 来自荷兰Delft University of Technology的Simon Gröblacher课题组的研究人员，在这方面取得了重大进展。他们克服了这一限制，证明了千兆赫微波信号可以和热背景小于一个声子的光电信波段之间进行相互转换。他们使用集成的片上电光机械系统(on-chip electro-optomechanical device)，将谐振微波信号驱动的表面声波耦合到具有2.7 GHz机械模式的光机械晶体中。他们将机械模式初始化为量子基态，这使得能够以最小的附加热噪声执行换能过程，同时保持光学机械协同性>1，从而映射到机械谐振器中的微波光子被有效地上转换到光学域。他们还进一步验证了整个传导过程中微波信号具有强的相干性保持能力。该研究工作发表在《Nature physics》杂志上。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41567-019-0673-7
Science: 扭曲度变化制冷器
橡皮筋被拉伸并保持一段时间后会松弛，这是由于应力引起的结晶逆转而使它们从周围吸收热量，这是一个放热过程。无论是大型制冷还是小型制冷，都需要高效率、低成本的制冷。制冷的替代材料是电热和磁热，它们分别由于电场或磁场的变化而提供冷却。尽管这些固态冷却机制已针对各种材料进行了广泛研究，但还不能满足大规模应用的性能需求。实际上，热电材料是目前唯一已商业化的固态冷却器，而这些冷却器大多价格昂贵且能量转换效率低。与传统的蒸气压缩式制冷机相比，变形时会改变熵的固体可能会提供更高的制冷效率，具有低成本、小型化等应用优势。
在这项研究中，南开大学刘遵峰教授和美国德克萨斯大学理查德森分校Ray H. Baughman教授研究组合作展示了通过改变纱线或纤维捻度来进行冷却的过程，并称其为捻热冷却，将使用扭曲度变化的制冷器称为“扭曲式冰箱”。他们证明了高冷却是由于扭曲、卷曲或超卷曲的纤维，包括天然橡胶、镍钛丝和聚乙烯纤维的扭曲变化造成的。利用扭转和卷绕相反的手性，可以产生超级卷曲的纤维，它们拉伸后可以冷却。他们还演示了一种基于扭转的装置，可提供较高的冷却能量和效率，用于冷却流动的水。通过将天然橡胶纤维的弹性制冷改为扭曲式制冷，材料的制冷效率提高了一倍(达到65%)，冷却器长度缩短了七分之二；一个以镍钛丝为基础的扭式冰箱可以在一个循环中将流动的水冷却至- 7.7°C；聚乙烯纤维的拉伸释放所产生的捻度比非扭曲纤维的拉伸释放所产生的捻度高出50倍以上。卷曲纤维表面温度变化的空间周期性可以成为远程读取拉伸和扭转应变传感器以及动态响应人体运动的织物变色纤维的有利条件。相关工作发表在《Science》上。
文章链接：https://science.sciencemag.org/content/366/6462/216
稀有细胞检测的目的是在绝大多数的背景细胞中识别足够数量的低丰度细胞，这通常需要处理大量的生物样本。这些罕见细胞的检测和计数对疾病诊断、疾病进展的评估和免疫反应的表征至关重要。例如，孕妇血液中的循环胎儿细胞被认为是胎儿基因组DNA的来源，它们的分离对常规产前诊断测试的实施至关重要。再如外周血中抗原特异性T细胞在介导免疫应答和免疫记忆形成中发挥中心作用，可预测免疫保护和诊断免疫相关疾病。然而，直接检测全血中的稀有细胞需要处理大量的病人样本，这既不现实，又耗时。为了缓解这一问题，检测前通常使用高度特异性的标记方法进行样品纯化/富集，以方便快速检测和处理。现有的稀有细胞检测技术通常因其高成本和低检测效率而受到限制。
近日，加州大学电子与计算机工程系Yibo Zhang等人提出了一种基于磁调控无透镜散斑成像的计算细胞仪技术，它通过周期性磁力将振荡运动引入到磁珠共轭的稀有细胞中，并使用无透镜时间分辨全息散斑成像在三维空间中快速检测目标细胞。除了使用细胞特异性抗体来标记靶细胞外，通过基于深度学习的分类器进一步提高了检测特异性，基于密集连接的伪3D卷积神经网络（P3D CNN）会自动在受控磁力的作用下根据其时空特征检测稀有细胞。为了演示该技术的性能，研究人员构建了一个高通量、紧凑且具有成本效益的模型，用于检测全血样本中出现峰值的MCF7癌细胞。通过连续稀释实验，实验人员将检测极限(LoD)量化为每毫升全血10个细胞，并在同一仪器内通过多路并行成像通道得到进一步提高。这种小型、低成本、高通量的计算细胞仪有可能用于体液中罕见细胞的检测和定量，用于各种生物医学应用。相关研究工作近日发表在《Light: Science & Applications》上。
文章链接：Yibo Zhang et al, Computational cytometer based on magnetically modulated coherent imaging and deep learning, Light: Science & Applications (2019) 8:91.
doi.org/10.1038/s41377-019-0203-5.
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