2018年,“光镊及其在生物系统中的应用”获得诺贝尔物理学奖,非接触操控在科学研究及应用中展现出巨大的前景。与光镊类似,通过作用在微粒上的声辐射力,声镊也能够实现对粒子非接触、无标记的操控。此外,声镊还具备辐射力大、热损伤小、穿透性强、可在非透明介质中应用等优势,使其在生物医学尤其是在体操控应用领域可能成为强大的工具。细胞、药物、微型机器人、靶向药物载体（纳米颗粒、液滴）等,可以为生物医学应用提供微型医疗工具,如疾病监测、定向药物输送、非侵入性手术、循环中的单细胞分析等,具有重要的研究和应用价值。基于声辐射力的声镊可为上述目标进入活体腔体提供一种非接触的手段。然而,在活体内实现声镊面临诸多难题:（1）非透明组织阻碍了基于光学影像的粒子操控可视化;（2）复杂的空间结构要求声镊具备灵活的可编程操控能力;（3）非均匀组织引起的声波畸变对精准操控提出挑战。目前,在所有方法中,基于换能器阵列的声镊可以对声场进行时空精准调控,并能完成复杂的空间操控行为,是最有可能实现在体应用的声操控方法。基于阵列已经在空气中实现了三维全息声镊,但在水和活体中鲜有报道。针对声镊在体应用的难题,本课题围绕实现三维声镊及其在体应用这一目标,主要开展了以下工作:（1）声场条件设计与表征:二维平面阵列式超声换能器的研制和声场表征。通过研究阵列的设计和制造工艺流程,分别研制了适于宏观粒子（直径≥1mm）操控的1.04MHz,256阵元（16*16）阵列,和适于微观细胞和微生物等（直径＜800μm）操控的3MHz,64阵元（8*8）阵列。并对256阵元阵列的自由场、经颅和相干区域声场进行了表征。结果表明,单个阵列发射的聚焦声束穿过颅骨时,其峰值声压降至自由场的18.1%。其经颅横向偏转距离可达10mm,轴向偏转距离可达40mm。另外,通过两个垂直对称放置的阵列同时发射聚焦声束,可以在相干区域得到一个微小的焦点,其轴向尺寸从单个阵列情况下的29.7mm减小到3.3mm,并通过使用差频发射策略可以消除相干区域由驻波引起的“条纹”图案。阵列的经颅聚焦和声束偏转能力也为经颅操控铺平了道路。（2）声操控方法和理论基础:复杂声场的时空精准调制和粒子声泳行为受力分析。本课题充分发挥了阵列多阵元协同独立控制的优势,利用迭代反推算法和全息声学元素构架方法在空间上生成了多点聚焦、聚焦涡旋、双阱等声场,并通过时间上对发射脉冲顺序的灵活控制,实现对声场的三维移动、时间复用等精准调控;同时,分析和计算了声辐射力和声流引起的Stokes阻力,并利用仿真软件模拟了这两种力联合作用下粒子的声泳行为,成功预测了粒子在不同参数设置下的运动轨迹。（3）三维声镊关键技术突破:基于时间反演的复杂环境自导航三维声镊。使用256阵元阵列,基于操控方法和理论基础,首先采用不同的声阱（多点聚焦和涡旋）分别实现了多个不同声学性质粒子（以PDMS和PS分别代表负、正声对比度粒子）的动态三维操控。其次,成功地利用超声在水中三维成像的能力,实时引导和监测粒子声操控的过程。三维图像可跟踪从任意初始位置自由下落的PDMS粒子,引导系统捕获并根据设计的路径操控粒子。最后,引入时间反演方法来修正非均匀介质引起的相位和振幅畸变,并成功地透过SIAT挡板、离体猕猴和人类头骨操控PDMS粒子三维移动。这些操控可视化、声波畸变矫正等关键技术的突破,为三维声镊的在体应用研究扫清了障碍。（4）生物体操控基础实验:微观生物三维声操控研究。使用3MHz的64阵元阵列,在普通培养皿中,实现了活细胞和微生物体的多维平移,旋转,定向和悬浮。利用全息声学元素构架法生成了聚焦涡场和双阱声场。实验演示了通过控制漩涡中心位置,丰年虾的卵和幼虫可以沿着预设的轨迹平移;通过将逆时针涡旋、顺时针涡旋和声阱声场按时间顺序复用,可以实时切换虾卵的旋转方向,或对非球形幼虫的朝向进行重新定向;利用声束在培养皿底反射形成的驻波和Eckart声流,可以将虾卵和幼虫从皿底部提起,并在它们悬浮后进一步垂直和水平地操控;定量分析了虾卵旋转频率与聚焦深度、涡旋拓扑荷数和激励电压之间的关系。（5）三维声镊的在体应用:细菌微泳体的在体声操控研究。利用基因编辑技术在细菌体内产生气囊结构,制备出对超声敏感的细菌微泳体并进行声学操控。首先,基于3MHz的64阵元阵列,在硅胶管中,微泳体可以被聚焦超声聚集而普通细菌不能。在PDMS腔道和培养皿开放条件下,也成功操控微泳体团簇按照指定的轨迹运动。其次,通过结合显微成像,利用脊背翼视窗模型在小鼠不同直径的浅表血管中,实现对于微泳体的捕捉,并进一步在分叉血管中,实现了移动;通过结合高频超声显影,成功在小鼠的深部组织,如肠道内,实现对于微泳体的聚集和操控,从而实现三维声镊的在体应用。综上所述,本课题基于二维平面阵列式换能器,研究了复杂声场的时空精准调控机制和粒子声泳行为,提出了复杂环境中基于时间反演的自导航三维声镊,并进一步向着生物体操控方向推进,最终实现了三维声镊的在体应用,对声镊技术的未来发展和应用具有重要的指导和参考意义。