聲鑷技術憑借其非接觸式操控優勢，已在細胞、生物分子等微納米尺度顆粒操控領域獲得廣泛應用。然而，傳統聲鑷在復雜非均勻介質（如生物組織、復雜流體）中面臨著根本性挑戰：聲波穿過不同密度、聲速的介質時會發生散射、反射、折射和畸變，導致聲場紊亂，造成操控失效，成為非均勻復雜介質中實現精準操控的主要障礙。

近日，中國科學院深圳先進技術研究院醫學成像科學與技術系統全國重點實驗室鄭海榮院士、李飛研究員，聯合華中科技大學祝雪豐教授，提出了一種在復雜強散射介質中實現精準、動態、穩定聲操控的突破性解決方案：1）通過引入聲學拓撲新物理對結構無序、制造缺陷、環境擾動、背向散射的免疫和魯棒性優勢，在主動設計的拓撲聲子晶體中，激發具有“拓撲保護”的局域化谷態駐波場，實現了顆粒沿任意設計軌跡的高精度、空間選擇性、可編程的“波浪式”智能定向輸運；2）通過調控入射波相位，利用散射系統中受拓撲保護的駐波輻射力，可在存在拐角、空腔和無序等缺陷條件下實現穩定的高效顆粒操控；3）通過與傳統聲子晶體波導對比，以及跨三通道拓撲質量環路實驗，進一步凸顯了拓撲魯棒性的聲操控優勢。

該體系的可擴展性與魯棒性為在生物組織等復雜非均勻介質中維持穩定的操控力場提供了理論基礎，也為從根本上解決聲鑷在復雜、非理想環境中精確穩定合成的難題提供了新范式，對光鑷、拓撲物理等相關領域亦具有重要的借鑒意義。相關研究成果以"Demonstration of topological acoustic tweezing for robust mass transport"為題，于1月1日發表在Science Advances上。

美國德克薩斯大學奧斯汀分校終身教授Yuebing Zheng在Science Advances上同期撰寫了特約評論文章（Focus article）“Sound matters: Using acoustics to move material”，認為：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.

中國科學院深圳先進技術研究院鄭海榮院士和李飛研究員、華中科技大學祝雪豐教授為論文共同通訊作者；中國科學院深圳先進技術研究院助理研究員黃來鑫、華中科技大學博士研究生向霄與中國科學院深圳先進技術研究院博士后李宗霖為并列第一作者。該研究獲國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）、國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、深圳市基礎研究重點項目與廣東省磁共振與多模態成像重點實驗室等資助。

拓撲顆粒輸運的物理機制

利用旋轉角相反的不銹鋼柱陣列構建了水下谷拓撲絕緣體。通過能帶結構分析和透射譜測量確定了當聲波頻率為470kHz時，可激發沿結構界面傳播的邊界態產生，從而構建能量局域化的拓撲通道。當聲波從通道兩端入射后，會在通道內相互干涉，產生受拓撲保護的拓撲駐波場。通過調節入射波的相位差φ，可使捕獲在勢阱中的微顆粒隨駐波聲壓波腹移動而實現輸運。

直線型拓撲波導中的局域化駐波與顆粒輸運

根據波動物理學基本原理，兩列反向傳播的平面波疊加可形成駐波場。當兩列行波間的相位差變化時，所有聲壓波節與波腹將沿聲傳播方向移動。本研究通過光纖水聽器測量了不同相位差條件下的拓撲界面處的聲場分布，驗證了該調控策略在拓撲保護散射系統中同樣有效。進一步，實現了PDMS顆粒在通道內聲壓波腹處的捕獲和沿鋸齒狀路徑的輸運，并揭示了拓撲聲場中的輻射力對顆粒運動的操控機制。

含缺陷拓撲波導中的穩健顆粒輸運

接下來研究了拓撲結構缺陷對顆粒輸運的影響。首先，對比了包含拐角缺陷的聲學拓撲波導（ATW）和由A晶格組成的聲子晶體波導（PCW）。實驗結果表明，在ATW中，微粒能夠順利穿越拐角，并在長距離的復雜軌跡上實現魯棒輸運。相比之下，PCW完全無法實現定向的微粒輸運，微粒僅在起始位置附近振蕩。隨后，在直線型ATW中移除了兩個柱體，構建了空腔缺陷。盡管顆粒在通過該腔體后，暫時偏離了界面，但之后迅速返回通道完成定向輸運。以上結果凸顯了拓撲聲鑷對顆粒的穩健操控能力。

拓撲質量循環輸運

最后，利用谷邊界態的聲學分束能力（在界面交匯處，邊界態會分裂至相同能谷的通道中）構建了一個聲學循環器。此聲學循環器由交匯于一點的三條拓撲通道組成。通過切換激活不同的通道端口和循環相位調制，實現了跨越三個端口的粒子循環輸運，展示了拓撲聲鑷的智能化和路徑選擇性的輸運能力。

拓撲聲鑷“波浪式”智能避障定向輸運顆粒示意圖

圖1:?拓撲聲學質量輸運。(A)?利用谷霍爾拓撲絕緣體實現顆粒輸運示意圖。(B)?元胞能帶結構。插圖為兩種谷態(q?和p?)的模擬本征場分布。(C)?超胞能帶結構及通過傅里葉變換得到的相應頻譜。(D)?在470 kHz頻率下，谷霍爾拓撲絕緣體中的仿真聲壓場分布，平面波從左邊界入射。(E)?晶格B和晶格A-B界面的實驗測量透射譜。在帶隙范圍內（如黑色虛線標注）可觀察到明顯的拓撲波傳輸。

圖2： 直線型拓撲波導中的駐波與質量輸運。(A) 實驗樣品及駐波激勵示意圖。插圖標明了晶格A-B界面（x-z平面）與顆粒操控觀測平面（x-y平面），紅色虛線標示x-y平面中晶格A與B的分界處。(B) 和 (C) 不同相位差條件下x-y平面的模擬聲壓場與x-z平面的實測聲壓場。其中z軸原點位于柱體上表面。(D) 距A-B界面四個晶格常數距離處的x-z平面聲壓場分布。(E) PDMS顆粒在拓撲通道中的輸運。(F) 相位差φ遞增與遞減時顆粒往返仿真運動軌跡。(G) 顆粒位移隨φ的變化關系。插圖標注了φ=0,2.5π,5π時的顆粒位置（從左至右）。(H) x與y方向聲輻射力隨φ的變化關系。插圖標注當Fy達到峰值時顆粒的位置（實心圓）及下一時刻位置（空心圓）

圖3：聲學拓撲波導（ATW）中的聲微流控技術。(A) 帶有拐角缺陷的ATW中的穩健顆粒輸運。(B) 聲子晶體波導（PCW）中的顆粒運動。(C) ATW和PCW中顆粒（PCW以圖B中顆粒1為例）沿x和y方向的位移。(D) 帶有空腔缺陷的ATW中的顆粒輸運。(E) 聲波分別從結構兩側入射時，圖D橙色矩形標注區域聲場的相位云圖及等高線圖。(F) 聲輻射力將ATW界面外的PDMS顆粒吸引至界面

圖4：拓撲質量循環。(A) 拓撲聲學循環器示意圖。(B) 聲波從端口P1和P2入射時的仿真聲壓場分布。黑色箭頭描繪了聲輻射力的方向。(C)至(E)分別展示從端口P1到P2、從P2到P3、從P3到P1質量輸運的實驗結果。(F) 三個端口處聲源相位的時序變化，以及在(C)至(E)中標記的六個點處計算得到的聲壓幅值

視頻1: 相位調控時間間隔（△t）和入射聲壓（p0）對顆粒輸運的影響

視頻2: 直線型拓撲波導中操控顆粒智能避障“波浪式”前進

視頻3：聲學拓撲波導中的顆粒運動

視頻4: 傳統聲子晶體波導中的顆粒運動

視頻5: 含有空腔缺陷的拓撲波導中的顆粒輸運

視頻6: 拓撲質量循環輸運