明尼苏达大学双城分校的一组研究人员发现了一种使用超声波操纵物体的方法，为制造业和机器人等行业的非接触式移动铺平了道路，而无需内部电源。
通过在物体表面放置超材料图案，明尼苏达大学的研究人员能够使用声音将其引导到某个方向，而无需物理接触它。图片来源：Olivia Hultgren
这种非接触式操作方法在机器人和制造业等行业具有潜在应用。明尼苏达大学双城分校的一组研究人员发现了一种使用超声波操纵物体的方法，为制造业和机器人等行业的非接触式移动铺平了道路，而无需内部电源。研究结果已发表在同行评审期刊《自然通讯》上。
虽然之前已经证明光波和声波可以操纵物体，但物体总是小于声音或光的波长，或者分别在毫米到纳米的数量级。明尼苏达大学团队开发了一种方法，可以使用超材料物理学原理移动更大的物体。
超材料是人工设计用于与光和声音等波相互作用的材料。通过在物体表面放置超材料图案，研究人员能够使用声音将其引导到某个方向，而无需物理接触它。
“我们早就知道波、光和声音可以操纵物体。我们的研究与众不同之处在于，如果我们将它们的表面变成超材料表面或‘超表面’，我们就可以操纵和捕获更大的物体，”该研究的资深作者、明尼苏达大学 Benjamin Mayhugh 助理教授 Ognjen Ilic 说机械工程系。“当我们在物体表面放置这些微小的图案时，我们基本上可以将声音反射到我们想要的任何方向。在这样做的过程中，我们可以控制施加在物体上的声学力。”
研究人员用超声波移动物体的视频。来源：明尼苏达大学
使用这种技术，研究人员不仅可以向前移动物体，还可以将其拉向源头——与 《星际迷航》等科幻小说中的牵引光束技术并无太大不同。
他们的方法可能对制造或机器人等领域的移动物体有用。
“非接触式操作是光学和电磁学研究的热门领域，但这项研究提出了另一种非接触式驱动方法，它提供了其他方法可能没有的优势，”该论文的第一作者、该大学的研究生 Matthew Stein 说。明尼苏达机械工程系。“此外，除了这项研究能够实现的应用之外，扩展我们的物理学知识通常是一件非常令人兴奋的事情！”
虽然这项研究更多地是对该概念的展示，但研究人员的目标是在未来测试更高频率的波以及不同的材料和物体尺寸。
“在许多科学和工程领域，尤其是机器人领域，需要移动物体，将信号转换为某种受控运动，”Ilic 说。“通常这是通过物理系绳完成的，或者必须携带一些能量来源才能执行任务。我认为我们正在朝着一个新的方向绘制图表，并表明无需物理接触，我们就可以移动物体，并且可以通过对该物体表面的内容进行编程来简单地控制该运动。这为我们提供了一种非接触式驱动物体的新机制。”
参考资料：“通过异常声散射塑造非接触辐射力”，作者：Matthew Stein、Sam Keller、Yujie Luo 和 Ognjen Ilic，2022 年 11 月 1 日，Nature Communications。
DOI: 10.1038/s41467-022-34207-7
该研究由明尼苏达机器人研究所和空军科学研究办公室资助。