中國科學院聲學研究所團隊在彈性薄板上，以單通道激振和結構預編碼重建渦旋波場
實驗顯示，亞毫米顆粒到輕質厘米級結構可被束縛、繞行或旋轉，但仍屬特定平台條件下的表面操控
研究機構於2026年9月23日對外介紹，論文則已於同年9月19日刊登於《Advanced Science》
如果不靠複雜電控，也不用機械夾爪，答案是：在特定條件下，可以。中國科學院聲學研究所團隊與合作者近日展示一種被動式彈性波操控方案，讓小物體在固體表面上被「困住」、沿著圓形軌道移動，或原地持續旋轉。這不是在桌面上裝一隻看得見的手，而是先把「路徑」寫進材料結構裡，再用單一訊號把整塊薄板激發起來，讓物體順著看不見的振動軌道運動。
這項研究之所以受關注，不在於它已經能搬運大型物件，而在於它把原本仰賴多通道相位控制、同步電子系統才能做到的部分波場操控，改成更接近「先設計結構、後啟動振動」的做法。對關心微機電、表面輸運與實驗平台設計的人來說，這代表固體表面上的小尺度操控，不一定每次都要從更複雜的控制系統開始。
不是把東西吸起來，而是在表面上安排它怎麼走
依據中國科學院9月23日發布的研究介紹，這項工作由中國科學院聲學研究所趙柳仙、楊軍團隊與合肥工業大學畢傳興合作完成；論文題為被動式超表面鑷子，已於9月19日刊登在《Advanced Science》。兩個日期需要分開看：前者是研究機構對外介紹時間，後者才是論文正式公開發表的時間。
研究的核心對象不是空中懸浮的粒子，也不是液體中的微球，而是放在固體表面上的小物件。團隊使用的是一塊經過功能化設計的彈性薄鋁板，透過壓電元件激振，使板面產生可預期的撓曲波。這些波不是隨機震動，而是帶有渦旋特性的彈性波場，能在板面形成中心與周邊條件不同的運動區域：有些物體會被拉向中心附近，有些則會沿外圍穩定繞行。
換句話說，這套系統不是把物體「抓起來搬走」，而是先在表面上做出一條看不見的動態軌道，再利用波場把物體推上那條軌道。這也是它與一般機械抓取最根本的差異：操控不是靠接觸，而是靠結構與振動共同塑造出來的力場。
所謂「結構預編碼」，就是先把相位寫進材料裡
這項技術最值得拆解的地方，在於它如何省掉大量即時電子控制。傳統要做出渦旋波場，常見方法是多通道相控陣列：每個發射單元各自調整相位，再把波疊成指定形狀。問題是，這類做法系統較複雜，對同步與校準也敏感，一旦相位誤差累積，波場效果就會打折。
聲學研究所團隊改走另一條路：不把相位控制交給後端電子，而是前移到材料幾何本身。他們在薄板的波傳播區域整合32個迷宮式亞波長單元，這些單元像是局部的相位延遲器。波經過不同幾何路徑時，會獲得不同相位，最終在板面上重建出目標渦旋波場。若用直白比喻，這有點像先把賽道彎道和坡度都做好，之後只要啟動同一個動力源，物體就會依賽道規則運動。
論文描述，系統在單通道激振下即可形成具有明確相位奇點與方位相位纏繞的撓曲波渦旋。對物體的作用則來自兩股力量配合：一是方位相位梯度帶來的切向驅動，讓物體繞圈；二是振幅分布不均形成的徑向侷限，讓物體不至於隨意散開。前者負責「推著走」，後者負責「不讓它跑掉」，兩者疊加，才形成可見的束縛、軌道運動與旋轉。
這也是「振動渦旋」一詞背後真正的物理意義。渦旋不是肉眼看見的水流漩渦，而是波的相位以角向方式連續變化，並攜帶軌道角動量。當這種角動量透過表面接觸與摩擦傳給小物體，物體就可能出現繞行或轉動行為。
實驗做到了什麼，又刻意沒有說成什麼
從實驗條件來看，這並不是「任意物體都能搬」。研究平台是一塊厚度2毫米、半徑90毫米的6061鋁板，中央操控區半徑約26毫米，設計工作頻率為30千赫。研究人員在24至32千赫範圍內測試頻率效應，並以不同峰值電壓觀察操控表現變化。這些條件說明，效果高度依賴板材、幾何結構、激振方式、頻率與物體接觸情況，不是換一張普通桌面就能直接複製。
被操控的物體尺度也有明確邊界。論文展示了直徑約3至5毫米的泡沫顆粒、直徑約0.3至0.6毫米的膨脹聚苯乙烯小球，以及長度約1.5厘米的輕質卷繞銅箔桿。毫米級泡沫顆粒可在渦旋中心外圍做持續有界的圓周運動；更小的亞毫米顆粒，一部分可被侷限在低振幅核心附近，另一部分則沿周邊軌道運動；至於厘米級示範，則是極輕的細長結構在不均勻作用下產生樞軸式旋轉。
這些結果足以證明「跨尺度」操控在實驗平台上成立，但也同時提醒外界不要把它放大解讀。厘米級不等於高負載，能旋轉一根輕質銅箔桿，不代表能在工廠產線上搬動沉重零件。論文也提到，物體表面形貌、界面摩擦與接觸條件，都會影響轉速等量化表現。也就是說，這項研究已經證明方向，但距離通用化、標準化還有不少工程問題要過。
它對產業與研究意味著什麼
這項成果真正改變的，不是「小顆粒終於能被振動移動」這件事本身，因為利用聲波或振動操控微小物體並非今天才出現；它更重要的地方，在於把渦旋波場生成與表面操控整合進一個較緊湊、較被動的固體平台。相較於多通道相控陣、全息聲場或時間切換式陷阱，這種把功能寫進結構的做法，有機會降低系統複雜度，並提升某些場景下的穩定性與可重複性。
對潛在應用來說，最容易理解的是「表面上的微型輸運」。例如在微機械裝置、實驗晶片、精密組裝前段，研究者可能需要讓小顆粒停在指定區域、沿固定路徑移動，或對細長輕質元件施加旋轉。若這些動作可以透過單一激振源和預設結構完成，平台設計思路就會和傳統機械手臂、滑軌或複雜陣列控制不同。
但要走向更實際場景，門檻仍很清楚。第一，物體材質與形狀不同，表面摩擦與耦合方式就不同；第二，環境若有灰塵、液膜、傾角或溫度變化，操控穩定性可能改變；第三，若任務從單一物體變成多物體協同，彼此間碰撞與集體運動會讓控制難度上升。這些都還需要更多驗證。
因此，這項研究目前比較像是在回答一個基礎但重要的工程問題：能否不靠複雜電控，在固體表面上做出可設計、可重複的物體操控？中國科學院聲學研究所團隊給出的答案是可以，但前提是把「控制」提前埋進結構設計，並接受它仍受限於實驗材料、頻率窗口與物體尺度。它真正證明的是，桌面上看不見的振動軌道可以被精確安排；它尚未證明的，則是這套方法已足以直接取代工業搬運、通用機械抓取或大尺度自動化系統。