2026 年 10 月 15 日
在微观尺度下，气泡常被用作微型机器人的推进器或流体控制器。然而，传统基于“捕捉”气泡的设计往往面临操作困难和不可预测的问题，因为一旦气泡形成，很难对其进行精确的定位与控制。
针对这一痛点，康奈尔大学物理学教授伊泰·科恩（Itai Cohen）及其团队提出了一种全新的思路：“我们为什么要去捕捉这些气泡？不如让它们在我们想要的时间和地点生成。”
近日，科恩实验室的研究人员开发出一项无需预先捕捉气泡的技术。该研究发表于《科学进展》（Science Advances），题为“超声驱动的电子可编程微气泡”。研究人员在一枚仅 3 毫米大小的芯片上，利用电极阵列按需产生气体微泡，并通过超声波提供声能，实现对流体流动的实时、直接控制。
电极造泡，超声波驱动
这项技术的核心在于将气泡的生成与驱动解耦。新研究的第一作者、康奈尔纳米科学卡夫利研究所博士后研究员张子元（Zhiyuan Zhang）介绍，整个过程完全支持实时编程。“我们可以实时控制气泡的大小、数量和位置，从而编程决定流体的流动方向。”
在实验装置中，张子元使用了一个由康奈尔纳米尺度科学与技术设施制造的芯片，上面以正方形排列着九个直径为六微米的电极。通过向电极施加电压分解水分子，每个电极都能产生一个直径在 10 至 100 微米之间的气泡。电压持续时间的长短直接决定了气泡的最终尺寸。
随后，系统引入声能。超声波会使气泡发生共振，波动的气泡表面进而带动周围液体运动。科恩教授指出，气泡的尺寸与其共振频率密切相关。“如果使用 40 千赫兹的超声波，只有特定尺寸的气泡才会产生强烈响应并形成显著流量；过大或过小的气泡则无法有效共振。”
气泡阵列引导复杂流体模式
单个气泡即可作为独立的流体泵。当两个或多个气泡协同工作时，可以执行更复杂的任务。张子元解释，相同大小且同频共振的气泡会产生对称的流动场；而不同大小的气泡因共振频率不同，对液体的推动力度也不同，从而形成非对称流动。
通过在多个电极上布置气泡阵列，研究人员实现了高度可编程的流体操纵。例如：
- 三个平行排列的气泡可产生从左至右的直线流动；
- 另外三个呈对角线排列的气泡可引导流体向左上方流动；
- 五个气泡排列成 L 形，则可引导流体沿曲线运动。
此外，该技术还具备一种类似“气泡射击”的功能。研究发现，较高的电压会在快速流动中产生密集的气泡云，此时开启超声波，即可将这些气泡射向特定方向。
自愈能力与未来应用
科恩表示，这种设计将气泡短暂易逝的特性转化为了一种再生优势。如果某个气泡意外破裂或失效，只需重新充气即可恢复功能，这为构建可重构的微流体设备提供了极高的灵活性。
这种鲁棒性使得该技术有望应用于超靶向药物输送等医疗领域。目前，康奈尔大学杜菲尔德工程学院电气和计算机工程学教授 Alyosha Molnar 已参与该研究，双方计划进一步合作，探索在机器人系统中集成此类电路的可能性。博士后研究员 Jinsong Zhang 也参与了此项工作。
参考文献：
Zhiyuan Zhang et al., Ultrasound-driven electronic programmable microbubbles, Science Advances (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aeg5408
