研究簡介

普朗克研究所智能系統的小組帶頭人、斯圖加特大學教授Peer Fischer，平時的工作主要集中于微觀和納米機器人領域。然而，他的實驗室也在開發納米制造方法，從而可以制造在水中微小的游泳者。全息影像技術并不是他的核心關切。Fischer解釋道，“然而，我們正在尋找一種手段，同時移動大量微觀粒子，以便將它們組成更大更復雜的結構。”他的研究團隊已經發現了一種方法能夠使用聲學進行全息成像，成為了這周《自然》期刊報道的首個聲學全息圖。此方法除了能夠進行粒子操作以外，還有一列些的其他應用。

光學全息攝影技術

眾所周知，光學全息圖提供了一種將攝影帶進三維世界的手段。不像傳統攝像機所拍攝的照片，全息攝影利用了反射光線達到最大光強的位置信息。物理學家稱為波的相位。通過在三維物體上的反射，相位會發生偏移且提供了對象的空間結構的信息。這樣讓全息圖具有三維外觀的特性。

傳統的聲音成像技術

之前，只有物理學家所稱為的“相控陣換能器”，能夠操縱聲波的三維結構。這是許多并排放置的聲源的合奏效果，每個聲源通過不同的相位延遲，單獨地發出聲音。然而，這樣必須要使用電子設備驅動，這些設備笨重而昂貴。普朗克研究所智能系統實驗室的博士研究生Kai Melde這么說，“我們現在無需復雜技術，就可以可以產生三維的聲音。”

聲波創作的畢加索名畫和平鴿

（圖片來源于：©Kai Melde / MPI for Intelligent Systems）

研究人員首次展示了一幅全息圖，它產生的聲壓具有畢加索名畫和平鴿的形狀。微粒懸浮在液體中遵循和平鴿的形狀，并且最終形成這幅圖像。為了完成這個目標，團隊首先需要計算聲波的強度和方位。更加明確地說，就是它們的相位需要移動，將鴿子的線條轉化為升高的聲壓。這樣一來，他們獲取了相位移示意圖。然后根據示意圖，他們制造了聲波全息圖：使用一個3D打印機，將塑料加工成一幅浮雕，在其中聲音的傳播速度快于周圍的液體。這個打印機基于所需要的相位延時，應用了不同厚度的材料。

超聲波通過凸版背后的全息干涉傳播，使得聲壓能夠復制畢加索的和平鴿圖畫。而且，他們放置了一個容器里面裝滿了水，并且重點區域有一些微粒，粒子被快速地推成鴿子的形狀。研究人員展示了這項技術能夠以三維的形式，通過圖片'1'、'2'、 '3'組成一個全息堆棧。

微粒沖浪和飛翔形成圖像

（圖片來源于：©Kai Melde / MPI for Intelligent Systems）

Peer Fischer說，“我們的技術并不動態的改變聲場的三維結構，但它仍然可以引起動態移動。我們感到驚訝，之前并沒有人想到這個創意。”

盡管位于斯圖加特的研究人員，不能隨意改變聲波雕塑，但他們能夠讓粒子以定義的軌跡移動。他們通過水中的聚合物顆粒展示了這個效果：使用聲壓全息圖，他們在水面生成了一個環形波峰，看上去就像由石頭扔進水里所引起的水面漣漪，被他們凍結了一樣。漂浮在水面上的粒子，受到聲壓的影響快速轉向波峰，沿著圓圈沖浪，直到聲音消失掉。“這種無需接觸的方法，使用聲音移動粒子，顯得很有趣，就像工藝過程的材料運輸一樣。”Kai Melde說。

應用和未來展望

聲波全息圖為研究人員操作粒子創造了更多的可能性。除了將粒子暴露在聲波中，全息圖也可以和超聲波一起使用，例如在藥物和材料測試領域。“我們的發明能夠產生具有復雜形狀的超聲波場，從而進行小范圍的醫療診斷和治療。”然而，對于聲波全息圖未來將如何使用，目前還不是很清楚。Peer Fischer說，“但是，我們確定有很多領域可以考慮。”