研究简介
普朗克研究所智能系统的小组带头人、斯图加特大学教授Peer Fischer，平时的工作主要集中于微观和纳米机器人领域。然而，他的实验室也在开发纳米制造方法，从而可以制造在水中微小的游泳者。全息影像技术并不是他的核心关切。Fischer解释道，“然而，我们正在寻找一种手段，同时移动大量微观粒子，以便将它们组成更大更复杂的结构。”他的研究团队已经发现了一种方法能够使用声学进行全息成像，成为了这周《自然》期刊报道的首个声学全息图。此方法除了能够进行粒子操作以外，还有一列些的其他应用。
光学全息摄影技术
众所周知，光学全息图提供了一种将摄影带进三维世界的手段。不像传统摄像机所拍摄的照片，全息摄影利用了反射光线达到最大光强的位置信息。物理学家称为波的相位。通过在三维物体上的反射，相位会发生偏移且提供了对象的空间结构的信息。这样让全息图具有三维外观的特性。
传统的声音成像技术
之前，只有物理学家所称为的“相控阵换能器”，能够操纵声波的三维结构。这是许多并排放置的声源的合奏效果，每个声源通过不同的相位延迟，单独地发出声音。然而，这样必须要使用电子设备驱动，这些设备笨重而昂贵。普朗克研究所智能系统实验室的博士研究生Kai Melde这么说，“我们现在无需复杂技术，就可以可以产生三维的声音。”
声波创作的毕加索名画和平鸽
（图片来源于：©Kai Melde / MPI for Intelligent Systems）
研究人员首次展示了一幅全息图，它产生的声压具有毕加索名画和平鸽的形状。微粒悬浮在液体中遵循和平鸽的形状，并且最终形成这幅图像。为了完成这个目标，团队首先需要计算声波的强度和方位。更加明确地说，就是它们的相位需要移动，将鸽子的线条转化为升高的声压。这样一来，他们获取了相位移示意图。然后根据示意图，他们制造了声波全息图：使用一个3D打印机，将塑料加工成一幅浮雕，在其中声音的传播速度快于周围的液体。这个打印机基于所需要的相位延时，应用了不同厚度的材料。
超声波通过凸版背后的全息干涉传播，使得声压能够复制毕加索的和平鸽图画。而且，他们放置了一个容器里面装满了水，并且重点区域有一些微粒，粒子被快速地推成鸽子的形状。研究人员展示了这项技术能够以三维的形式，通过图片'1'、'2'、 '3'组成一个全息堆栈。
微粒冲浪和飞翔形成图像
（图片来源于：©Kai Melde / MPI for Intelligent Systems）
Peer Fischer说，“我们的技术并不动态的改变声场的三维结构，但它仍然可以引起动态移动。我们感到惊讶，之前并没有人想到这个创意。”
尽管位于斯图加特的研究人员，不能随意改变声波雕塑，但他们能够让粒子以定义的轨迹移动。他们通过水中的聚合物颗粒展示了这个效果：使用声压全息图，他们在水面生成了一个环形波峰，看上去就像由石头扔进水里所引起的水面涟漪，被他们冻结了一样。漂浮在水面上的粒子，受到声压的影响快速转向波峰，沿着圆圈冲浪，直到声音消失掉。“这种无需接触的方法，使用声音移动粒子，显得很有趣，就像工艺过程的材料运输一样。”Kai Melde说。
应用和未来展望
声波全息图为研究人员操作粒子创造了更多的可能性。除了将粒子暴露在声波中，全息图也可以和超声波一起使用，例如在药物和材料测试领域。“我们的发明能够产生具有复杂形状的超声波场，从而进行小范围的医疗诊断和治疗。”然而，对于声波全息图未来将如何使用，目前还不是很清楚。Peer Fischer说，“但是，我们确定有很多领域可以考虑。”
