不是魔術!以聲波操縱物體移動,無創手術創新工具「聲鉗」誕生
手術台上,外科醫師有條不吝地操作著手術刀、剪刀、鑷子、止血鉗等器具,這是我們熟知的手術情景;但未來,可能有一種不用動刀、不用見血的「聲鉗」醫療技術,可讓醫師在不碰觸患者的前提下執行一系列醫療行為。
2 個月前,高齡 96 歲的 Arthur Ashkin 以 1986 年開發的光鉗(optical tweezers,也稱光學鑷子)技術榮獲 2018 年諾貝爾物理學獎,這種工具利用光線的輻射壓來操縱極微小物體,比如人體細胞。
現在,科學家設法將相同原理轉移到聲學領域,也就是聲鉗(acoustic tweezers):利用多道聲波組成複雜聲場,操控聲場中的物體。這些年來,我們看過一系列漂亮的聲鉗技術,比如把水滴懸浮在半空中、一種很像外星飛碟用來抓人類的「聲波曳引束」等,雖然就目前生活而言不怎麼實用。
但若應用在生物醫療領域,聲鉗將大放異彩,比光鉗還更具優勢。這是因為雷射光只透過透明介質傳播,如果要在人體組織內游刃有餘的操作,能安全穿透人體的聲鉗會比光鉗更有開發前景。
來自英國布里斯托大學的超音波工程學教授 Bruce Drinkwater 與西班牙納瓦拉大學的電腦科學家 Asier Marzo Pérez,現在已經成功研發出能操縱微小物體的聲學懸浮裝置,且可同時將多個物體往不同方向移動,團隊將之稱為全像聲鉗(Holographic Acoustic Tweezers,HAT)。
原型設備是兩面「喇叭陣列」,一面陣列有 256 個寬度各僅 1 公分的喇叭,彼此相對(距離 23 公分)形成錯綜複雜的聲場,而喇叭發出的聲音頻率極高,達 40kHz(4 萬赫茲),人耳聽不到。
在該聲場中,「高強度區域」會排斥物體,「低強度區域」則成為物體安頓的避難所,透過控制每個喇叭發聲的時間點,研究人員成功在聲場內移動 25 個保麗龍小球,不只可以操控它們跳一場空中舞蹈,甚至還能叫它們穿針引線「縫衣服」。
▲ 在聲場內以聲波控制線穿過洞。
這項技術讓我們看見一個令人激動的未來:外科手術可能不必「開刀」了,醫師將直接操縱無形的聲鉗於你體內進行手術。新論文發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)。
These sound waves can levitate and move particles in new ways
Watch Sound Waves Levitate Small Objects In Different Directions
Sound tweezers levitate and manipulate small objects for noninvasive surgery and 3D displays
Sound waves levitate multiple objects – future technology for contactless medical procedures
‘Hands-free’ surgery: Scientists use sound to LEVITATE and MOVE particles in breakthrough
(圖片來源:納瓦拉大學)