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不用电子设备把漩涡“刻”进薄板 中国团队最新研究实现跨尺度操控
中新网北京9月24日电 (记者 孙自法)不用电子设备，一块“预编程”的薄板就能让颗粒自己转圈、绕行。这一看似不可能的场景，通过中国科研团队最新研究提出的跨尺度物体操控新方法，已经成功实现。
这项利用结构化波场实现物体非接触操控的重要研究进展和突破，在微机械、微机器人和智能制造等领域具有重要应用价值。
该研究成果由中国科学院声学研究所赵流现研究员、杨军研究员团队与合肥工业大学毕传兴教授团队合作完成，相关论文近日在国际学术期刊《先进科学》(Advanced Science)上发表。
论文第一作者、中国科学院声学研究所与合肥工业大学联合培养博士研究生毕泽阳介绍说，具有螺旋相位结构的涡旋波(俗称“漩涡”)能够携带轨道角动量，并通过动量传递驱动物体产生旋转和轨道运动。然而，现有复杂涡旋波场通常依赖多通道相控阵列或动态波前调控系统，对电子控制系统复杂度和相位同步精度要求较高。
在本项研究中，合作团队提出一种基于被动亚波长结构编码的弯曲波涡旋表面操控平台，采用迷宫型亚波长单元作为局域相位调控载体，将目标涡旋所需的方位相位信息编码于结构空间排布中，在无需电子相位调制的条件下，通过单通道激励即可在薄板中产生具有指定拓扑荷的弯曲波涡旋。
形象而言，就是在一块薄板上“刻”出一个看不见的漩涡，即能让从亚毫米颗粒到厘米级结构件在内的物体，在表面完成捕获、绕行和旋转，而且全程不需要任何电子调控设备。
其实验测量表明，形成的波场具有明显的方位相位绕转、中心低振幅区域和相位奇点。非均匀振幅分布为表面物体提供径向约束，涡旋波携带的轨道角动量则通过方位动量传递产生切向驱动，两者协同实现物体的局域、轨道输运与旋转操控。
随后，实验进一步实现从亚毫米颗粒、毫米级颗粒到厘米尺度轻质结构的跨尺度表面操控：亚毫米颗粒可在涡旋核心附近局域或在外围持续轨道输运，毫米级颗粒能够围绕涡旋核心进行稳定的有界轨道运动，厘米尺度轻质结构则可在涡旋波场作用下发生持续旋转。
此次研究还通过改变结构中编码的拓扑荷符号，实现弯曲波涡旋方位相位梯度及轨道角动量方向的反转，并相应改变颗粒的轨道运动方向，建立“结构相位编码—轨道角动量—物体运动”之间的对应关系。
合作团队表示，这项研究建立“结构预编码—单通道激励—涡旋波场重构”的被动弹性波调控方式，将结构编码弯曲波涡旋从波场产生进一步拓展至实际表面物体操控，可为结构化弹性波在表面颗粒输运、微机械驱动及智能结构等领域研究提供新的思路。(完)
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