项目团队开展了复杂环境自导航三维声镊研究；首先，将超声B模式成像与三维声镊技术相结合，利用同一个256阵元换能器阵列交替发射成像和操控脉冲序列，实现对操控过程的超声图像实时监测，并利用图像的定位信息反馈，进一步主动引导声镊系统在介质中创建操控声场，完成捕获并移动粒子。此方法可以实现在非透明介质中的声操控。其次，通过将声镊技术与时间反演方法相结合，来矫正声波在非均匀介质中的相位和幅度畸变，从而实现了在复杂环境中的三维粒子操控。如该研究实现了跨越离体人类头骨操控PDMS粒子沿着特定三维轨迹运动。

相关研究成果已经发表在综合类顶级期刊Research上，对本项目中拟开展的复杂介质中的三维全息声操控方法研究具有重要的指导意义。

(a)基于时间反演的复杂环境自导航三维声镊示意图。
(b)10个焦点排列成五角星形的仿真三维声场图。
(c)利用10个焦点声场操控PDMS粒子。
(d)经过人类颅骨操控粒子运动过程的三维超声图像。
(e)经过人类颅骨操控PDMS粒子实验的侧视图。
(f) 基于时间反演的复杂环境自导航三维声镊操控粒子运动实验图。
(g) 基于时间反演的复杂环境自导航三维声镊操控粒子运动实验示意图。
(h) 基于时间反演的复杂环境自导航三维声镊操控粒子运动过程的三维超声图像。

项目团队以细胞、微生物为操控对象，基于声-流-固多物理场耦合模型，开展了操控对象在声场、声流等共同作用下的动力学行为仿真研究，并通过结合显微成像，将三维声镊在细胞、微生物操控领域进行了应用。利用3MHz，64阵元的阵列，以丰年虾卵和幼虫为目标物，建立声-流-固多物理场耦合模型，仿真计算了目标物受到的声辐射力，声流引起的斯托克斯阻力，并成功预测了目标物在声场、流场共同作用下的运动轨迹，与实验结果完美匹配。

另外，通过结合显微成像，利用全息元素构架和时间复用方法，成功在通用培养皿中实现了对于目标物的平移、旋转、悬浮和定向等操控行为。相关成果已发表在超声领域权威期刊IEEE Transactions on Biomedical Engineering，69，7(2022)，并被选为专题文章，对本项目中多物理场耦合下细胞动力学分析及操控研究研究奠定基础。

(a) 基于二维阵列的活细胞和生物的三维声镊示意图。
(b)数值仿真模型图。
(c)声流流线和流速仿真结果。
(d)声场强度分布和细胞运动轨迹仿真结果。
(e)声操控细胞平移。
(f)声操控细胞旋转。
(g)声操控微生物定向和平移。
(h)声操控细胞悬浮。

生物体组织结构复杂易引起声波畸变，且高速血流的存在也阻碍了血管内的声操控。团队结合相控阵全息声镊与显微成像，构建动物模型，实现了在活体动物水平通过电子控制声束对含气囊工程细菌进行可编程操控。

在小鼠尾静脉注射工程菌后，利用小鼠透明背脊皮翼视窗模型进行观察，打开相控阵全息声镊，使得工程菌在声束焦点处聚集。通过对含气囊工程菌和普通大肠杆菌分别在小鼠背部浅表血管中进行了声捕获比较，发现只有含气囊工程菌可以被捕捉在聚焦声束中心，并在血管中形成簇状。进一步，在不同直径的血管也尝试对含气囊工程菌进行了声捕捉。随后，通过电子偏转声束，实现了含气囊工程菌的体内声操控。

在声镊操控下，含气囊工程菌不仅可以沿着血管前后移动，还可以选择性地穿过血管分叉。也可以同时操控两个工程菌团簇在同一条血管中，将其彼此靠近或远离。

以上研究结果表明，相控阵全息声镊系统操控含气囊细菌团簇的运动可严格按照程序设置进行，展示出优异的时空操控精度，使这些细菌能够逆流或按需流动到活小鼠的预设血管中。 进一步，高通量相控阵全息声镊操控技术可以显著提高肿瘤中工程细菌的聚集效率，并结合细菌的肿瘤杀死活性，明显抑制了肿瘤的生长速度，延长了荷瘤小鼠的生存期。

项目团队提出一种基于超声相控阵列的类器官在线组装培养系统，可以通过对于不同声场的分时复用，实现无需对类器官表面处理或修饰的情况下，依靠声辐射力对类器官精准选择、位置移动、旋转对准、装配固定以及撤销等操作。

并进一步探究了顺铂引起的局部肾损伤类组装体的构建，使我们更好理解类似疾病的转归机制与开发组织保护修复的方法。

相关成果已经发表在综合类顶级期刊Small Structures (IF=15.)接收，并评为了当期的封面文章，为本项目的全息声场时空精准调控、细胞声操控等奠定了基础。

(a) 线上组装平台示意图。
(b) 多声场协同组装策略。
(c) 局部肾损伤类组装体模型的构建。
(d) 异质模型的生化表征。