复旦大学智慧医疗超声团队实现了“基于逆向优化方法的自由空间超声旋转马达”，研究通过逆向设计的方法构建高纯度的声涡旋，在自由空间中实现了稳定的粒子旋转控制。研究成果以“Inverse-Design Methodology for Generating Twisted Ultrasonic Motor in Free Space”为题发表在学术期刊“Advanced Intelligent Systems”(DOI: 10.1002/aisy.202300255)，并受到Advanced Science News以“Spinning sound waves that move matter”为题的新闻推送。论文第一作者为博士生张传鑫，通讯作者为江雪副教授和他得安教授。

背景

声涡旋具有螺旋状的波阵面，在传播轴中心处形成相位奇点及声压零值区。区别于传统“声学镊子”，它所携带的轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)能够作用于物体产生扭矩，在生物医学超声等领域具有重要应用价值，如非接触式细胞筛选、药物靶向递送等。

利用光学系统中成熟的高精度大规模阵元调制器件可以产生高纯度OAM波束，因此光OAM技术也得到了长足的发展。与之相比，声学系统中难以实现类似的高精度大规模动态调制，因此所构建的声OAM纯度较低，限制了其在多个领域的应用。

声学相控阵在超声成像，非接触式声操控，超声供电和通信等场景下有广泛的应用。在有限的相控阵硬件系统下，构建更高纯度的声OAM波束，将丰富相控阵的功能，并有望将OAM与其他先进声学技术结合起来，从而有效地扩展声OAM的应用场景。

内容

由于声学相控阵常常受限于其调制精度和空间采样率等问题，构建高纯度声OAM波束成为一大挑战。在"直接设计"方法中，我们从一组已知的初始条件、约束和控制方程开始，通过求解这些方程来预测系统的结果或行为。但因为前述硬件系统的限制问题，采用直接方法构建的OAM波束纯度较低。而"逆向设计"方法从最终目标开始，反向求解以寻找匹配结果的条件。通过引入逆向设计的方案，我们可以从声强均匀度和信噪比等方面指导OAM波束的构建。算法迭代地优化发射阵列上的相位分布以获得更高质量的OAM波束。逆向设计方法对于关系不明确、复杂、非线性系统尤为有效。它具有很高的适应性，并可以高效地探索广泛的参数空间以找到优化的解决方案。

图1.为超声旋转器设计的高纯度OAM波束

相比传统方法，该研究采用逆向优化设计的策略实现了超高纯度的声OAM构建，在不同阶数下均实现了更优的构建效果。该研究不仅在仿真上验证了高纯度的OAM构建效果，在实验中也实现了高纯度的OAM构建。与正向设计的结果（图2）相比，逆向优化的声涡旋（图3）“甜甜圈”强度分布更加精确，具有清晰的涡旋中心声强极小值和更圆更均匀的声强极大值，为后续更稳定的粒子控制奠定了基础，同时也可为高速声OAM复用通信提供有力支持。

图2.传统设计的OAM声场图

图3.逆向优化的OAM声场图

为评估声OAM波束的构建质量，该研究从声压均匀度和OAM频谱分量出发进行分析，引入了变异系数和信噪比等参数进行定量分析。结果显示在OAM模式的均匀度上提高了约14％，信噪比提高了约12dB。

图4 OAM质量的定量分析

利用OAM携带的轨道角动量，声OAM能够实现对粒子旋转的控制。然而传统设计方法构建出的OAM纯度较低，无法实现稳定的粒子旋转控制。如图5所示，借助逆向设计构建出的高纯度OAM，展示出高稳定性、高一致性的粒子旋转控制效果（视频2）。而在基于传统设计方法的系统中，从粒子轨迹图可以看出，粒子旋转轨迹偏离预设的圆形，且无法形成稳定操控，每个周期中粒子轨迹均不一致，甚至出现粒子陷在局域点的现象（视频1）。

图5声涡旋操控下的粒子轨迹图

视频1粒子操控效果对比。左为传统设计，右为逆向优化设计。

总结

声轨道角动量为声场操控来了新的可能性，而逆向优化方法为构建高纯度的完美声涡旋提供了新思路。通过精确控制声轨道角动量的分布特性，将在生物医学、通信和粒子控制等领域提供更广泛的应用。

原文：http://dx.doi.org/10.1002/aisy.202300255