声镊技术凭借其非接触式操控优势，已在细胞、生物分子等微纳米尺度颗粒操控领域获得广泛应用。然而，传统声镊在复杂非均匀介质（如生物组织、复杂流体）中面临着根本性挑战：声波穿过不同密度、声速的介质时会发生散射、反射、折射和畸变，导致声场紊乱，造成操控失效，成为非均匀复杂介质中实现精准操控的主要障碍。
近日，中国科学院深圳先进技术研究院医学成像科学与技术系统全国重点实验室郑海荣院士、李飞研究员，联合华中科技大学祝雪丰教授，提出了一种在复杂强散射介质中实现精准、动态、稳定声操控的突破性解决方案：1）通过引入声学拓扑新物理对结构无序、制造缺陷、环境扰动、背向散射的免疫和鲁棒性优势，在主动设计的拓扑声子晶体中，激发具有“拓扑保护”的局域化谷态驻波场，实现了颗粒沿任意设计轨迹的高精度、空间选择性、可编程的“波浪式”智能定向输运；2）通过调控入射波相位，利用散射系统中受拓扑保护的驻波辐射力，可在存在拐角、空腔和无序等缺陷条件下实现稳定的高效颗粒操控；3）通过与传统声子晶体波导对比，以及跨三通道拓扑质量环路实验，进一步凸显了拓扑鲁棒性的声操控优势。
该体系的可扩展性与鲁棒性为在生物组织等复杂非均匀介质中维持稳定的操控力场提供了理论基础，也为从根本上解决声镊在复杂、非理想环境中精确稳定合成的难题提供了新范式，对光镊、拓扑物理等相关领域亦具有重要的借鉴意义。相关研究成果以"Demonstration of topological acoustic tweezing for robust mass transport"为题，于1月1日发表在Science Advances上。
美国德克萨斯大学奥斯汀分校终身教授Yuebing Zheng在Science Advances上同期撰写了特约评论文章（Focus article）“Sound matters: Using acoustics to move material”，认为：Zheng and co-workers present one of the pioneering demonstrations of topological acoustic tweezers. …… The foundational work by Zheng and co-workers offers several promising avenues for future research: system miniaturization and integration, reconfigurable waveguide structures, diversified manipulation modes.
中国科学院深圳先进技术研究院郑海荣院士和李飞研究员、华中科技大学祝雪丰教授为论文共同通讯作者；中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员黄来鑫、华中科技大学博士研究生向霄与中国科学院深圳先进技术研究院博士后李宗霖为并列第一作者。该研究获国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项（B类）、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市基础研究重点项目与广东省磁共振与多模态成像重点实验室等资助。
拓扑颗粒输运的物理机制
利用旋转角相反的不锈钢柱阵列构建了水下谷拓扑绝缘体。通过能带结构分析和透射谱测量确定了当声波频率为470kHz时，可激发沿结构界面传播的边界态产生，从而构建能量局域化的拓扑通道。当声波从通道两端入射后，会在通道内相互干涉，产生受拓扑保护的拓扑驻波场。通过调节入射波的相位差φ，可使捕获在势阱中的微颗粒随驻波声压波腹移动而实现输运。
直线型拓扑波导中的局域化驻波与颗粒输运
根据波动物理学基本原理，两列反向传播的平面波叠加可形成驻波场。当两列行波间的相位差变化时，所有声压波节与波腹将沿声传播方向移动。本研究通过光纤水听器测量了不同相位差条件下的拓扑界面处的声场分布，验证了该调控策略在拓扑保护散射系统中同样有效。进一步，实现了PDMS颗粒在通道内声压波腹处的捕获和沿锯齿状路径的输运，并揭示了拓扑声场中的辐射力对颗粒运动的操控机制。
含缺陷拓扑波导中的稳健颗粒输运
接下来研究了拓扑结构缺陷对颗粒输运的影响。首先，对比了包含拐角缺陷的声学拓扑波导（ATW）和由A晶格组成的声子晶体波导（PCW）。实验结果表明，在ATW中，微粒能够顺利穿越拐角，并在长距离的复杂轨迹上实现鲁棒输运。相比之下，PCW完全无法实现定向的微粒输运，微粒仅在起始位置附近振荡。随后，在直线型ATW中移除了两个柱体，构建了空腔缺陷。尽管颗粒在通过该腔体后，暂时偏离了界面，但之后迅速返回通道完成定向输运。以上结果凸显了拓扑声镊对颗粒的稳健操控能力。
拓扑质量循环输运
最后，利用谷边界态的声学分束能力（在界面交汇处，边界态会分裂至相同能谷的通道中）构建了一个声学循环器。此声学循环器由交汇于一点的三条拓扑通道组成。通过切换激活不同的通道端口和循环相位调制，实现了跨越三个端口的粒子循环输运，展示了拓扑声镊的智能化和路径选择性的输运能力。
拓扑声镊“波浪式”智能避障定向输运颗粒示意图
图1: 拓扑声学质量输运。(A) 利用谷霍尔拓扑绝缘体实现颗粒输运示意图。(B) 元胞能带结构。插图为两种谷态(q⁺和p⁻)的模拟本征场分布。(C) 超胞能带结构及通过傅里叶变换得到的相应频谱。(D) 在470 kHz频率下，谷霍尔拓扑绝缘体中的仿真声压场分布，平面波从左边界入射。(E) 晶格B和晶格A-B界面的实验测量透射谱。在带隙范围内（如黑色虚线标注）可观察到明显的拓扑波传输。
图2： 直线型拓扑波导中的驻波与质量输运。(A) 实验样品及驻波激励示意图。插图标明了晶格A-B界面（x-z平面）与颗粒操控观测平面（x-y平面），红色虚线标示x-y平面中晶格A与B的分界处。(B) 和 (C) 不同相位差条件下x-y平面的模拟声压场与x-z平面的实测声压场。其中z轴原点位于柱体上表面。(D) 距A-B界面四个晶格常数距离处的x-z平面声压场分布。(E) PDMS颗粒在拓扑通道中的输运。(F) 相位差φ递增与递减时颗粒往返仿真运动轨迹。(G) 颗粒位移随φ的变化关系。插图标注了φ=0,2.5π,5π时的颗粒位置（从左至右）。(H) x与y方向声辐射力随φ的变化关系。插图标注当Fy达到峰值时颗粒的位置（实心圆）及下一时刻位置（空心圆）
图3：声学拓扑波导（ATW）中的声微流控技术。(A) 带有拐角缺陷的ATW中的稳健颗粒输运。(B) 声子晶体波导（PCW）中的颗粒运动。(C) ATW和PCW中颗粒（PCW以图B中颗粒1为例）沿x和y方向的位移。(D) 带有空腔缺陷的ATW中的颗粒输运。(E) 声波分别从结构两侧入射时，图D橙色矩形标注区域声场的相位云图及等高线图。(F) 声辐射力将ATW界面外的PDMS颗粒吸引至界面
图4：拓扑质量循环。(A) 拓扑声学循环器示意图。(B) 声波从端口P1和P2入射时的仿真声压场分布。黑色箭头描绘了声辐射力的方向。(C)至(E)分别展示从端口P1到P2、从P2到P3、从P3到P1质量输运的实验结果。(F) 三个端口处声源相位的时序变化，以及在(C)至(E)中标记的六个点处计算得到的声压幅值
视频1: 相位调控时间间隔（△t）和入射声压（p0）对颗粒输运的影响
视频2: 直线型拓扑波导中操控颗粒智能避障“波浪式”前进
视频3：声学拓扑波导中的颗粒运动
视频4: 传统声子晶体波导中的颗粒运动
视频5: 含有空腔缺陷的拓扑波导中的颗粒输运
视频6: 拓扑质量循环输运
附件下载：