声学前沿 | 把漩涡“刻”进薄板：无需电子相位调制的跨尺度物体操控新方法

在一块薄板上“刻”出一个看不见的漩涡，就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。中国科学院声学研究所（以下简称声学所）与合肥工业大学的联合团队最近实现了这一思路，相关成果于2026年9月19日在线发表于 Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.77631）。

利用结构化波场实现物体的非接触操控，在微机械、微机器人和智能制造等领域具有重要应用价值。具有螺旋相位结构的涡旋波能够携带轨道角动量（orbital angular momentum，OAM），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。

为解决上述问题，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，提出了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。研究团队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。

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。实验进一步实现了从亚毫米颗粒、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。

研究团队还通过改变结构中编码的拓扑荷符号，实现了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，建立了“结构相位编码—轨道角动量—物体运动”之间的对应关系。

该研究建立了“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，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的研究提供了新的思路。

论文第一作者为合肥工业大学与声学所联合培养的博士研究生毕泽阳，该研究工作在声学所完成，声学所赵流现研究员、杨军研究员与合肥工业大学毕传兴教授为共同通讯作者。

▲ 被动结构编码弯曲波涡旋产生与物体操控原理（图/研究团队）

▲ 弯曲波涡旋跨尺度表面物体操控实验（图/研究团队）

参考文献：

Zeyang Bi, Zhiqiang Li, Yunkang Ren, Yugui Peng, Xuefeng Zhu, Liuxian Zhao, Jun Yang, Chuanxing Bi. Passive Metasurface Tweezers for Multi-Scale Orbital Transport and Trapping on Elastic Plates. Advanced Science (2026): e77631. 

论文链接：

https://doi.org/10.1002/advs.77631