一种基于分时声镊的多微粒操控方法及装置

1.本发明涉及声操控领域，具体而言，涉及一种基于分时声镊的多微粒操控方法及装置。


背景技术：

2.声镊是基于声波的一种非接触式镊子。通过动态调制声波的强度和相位分布，声镊可实现多模式、实时、高精度的粒子操纵，例如三维粒子移动、粒子旋转和粒子聚集。声操控微粒是利用声波与微粒之间动量和能量交换产生的声辐射力操纵微粒的运动，具有非接触、生物兼容性好、无需对微粒进行化学生物标记、装置简单易集成等优点，在精密制造、精准医疗等领域具有广阔的应用前景，是当前操控领域的研究热点。
3.单阵元换能器的声场形态一般固定不变，因此微粒在声场中的受力分布固定，很难对其进行灵活多功能操控。全息声镊通过控制换能器阵列每个阵元的幅值和相位等声参量，可以快速生成聚焦、双阱、涡旋等声场势阱用于捕获和操控微粒。操控单个微粒只需要生成单波束来形成捕获势阱。当被操控的物体形状不规则或者尺寸较大的时候，则需要同时生成多个声场势阱来并行操控多个微粒。目前的多微粒操控技术都是根据势阱数量、位置、刚度等需求，通过控制换能器阵元的发射相位等声参数，一次生成满足需求的多个操控声场，从而并行操控多个微粒。
4.然而，在生成声场捕获势阱的同时，声波由于空间干涉效应也会生成伪像势阱。伪像势阱会将微粒捕获到不需要的位置。换能器阵列通过单波束生成的捕获势阱能量相对伪像势阱要大很多，从而不受伪像势阱的影响。但在多微粒操控时，需要同时生成多个声场波束，单个微粒得到的捕获势阱能量势必会下降。随着微粒数量的增加，伪像势阱对捕获势阱的影响会越来越强。提高超声发射功率虽然可以增加捕获势阱的能量，但是伪像势阱的能量也会随之增加。增加换能器阵元数量虽然可以提高捕获的稳定性，但这会提升系统的复杂度。
5.现有技术中，存在一种方案，通过对换能器阵元的分时复用，形成综合声场控制目标微粒，综合声场是由时序上依次排列的多个操控声场形成的，可叠加不同操控生成类型或不同声场参数的操控声场在不同方向的限制能力优势。但该方案生成的综合声场是针对操控单个微粒，是为了提高操控的稳定性，并不适用于多微粒操控。
6.因此，需要一种针对多微粒操控的方案，能够解决上述问题。


技术实现要素：

7.基于现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于分时声镊的多微粒操控方法及装置。具体方案如下：
8.一种基于分时声镊的多微粒操控方法，包括如下：
9.针对待操控的多个微粒，根据预设的操控需求设计超声脉冲序列；
10.所述超声脉冲序列包括一帧或多帧脉冲序列，每一帧脉冲序列包含多个脉冲群，
每个脉冲群对应不同的全息声参数，脉冲群之间存在时间参数；
11.预设的激励系统加载脉冲序列的全息声参数和时间参数，生成携带有全息声参数和时间参数的激励信号并依次输出至预设的换能器阵列；
12.所述换能器阵列解析所述激励信号，基于时间参数依次根据各个脉冲群的全息声参数生成超声波束，形成声场势阱，完成一帧脉冲序列对应的多微粒并行操控；
13.完成各帧脉冲序列对应的多微粒并行操控，即可实现对多个微粒的操控需求。
14.在一个具体实施例中，在每个超声脉冲序列中，每帧脉冲序列按预设第一顺序依次排列；在每帧脉冲序列中，每个脉冲群按预设第二顺序依次排列；
15.所述激励系统按照所述第一顺序依次执行每帧脉冲序列对应的微粒操控；
16.在执行每一帧脉冲序列的过程中，所述激励系统以预设方式加载全息声参数和时间参数，并基于所述时间参数、以所述第二顺序依次输出每个脉冲群对应的激励信号。
17.在一个具体实施例中，某一帧脉冲序列包含n个脉冲群，则所述换能器阵列根据该脉冲序列的全息声参数和时间参数对应完成至少n个微粒的操控。
18.在一个具体实施例中，在一个超声脉冲序列中，相邻两帧脉冲序列之间存在序列间隔，所述序列间隔大于等于零，多个序列间隔之间可相同或不同；
19.在一帧脉冲序列中，相邻两个脉冲群之间存在脉冲群间隔，所述脉冲群间隔大于等于零，多个脉冲群间隔之间可相同或不同。
20.在一个具体实施例中，在一个超声脉冲序列中，每一帧脉冲序列包含的脉冲群数量相同或不同。
21.在一个具体实施例中，通过所述全息声参数中的相位信息和/或幅值信息调整声场势阱的位置；
22.通过所述全息声参数中的相位信息和/或幅值信息调整声场势阱的种类。
23.在一个具体实施例中，通过所述全息声参数中的幅值信息调整声场势阱的能量大小；
24.和/或，通过所述全息声参数中的频率信息或相位信息调整声场势阱的尺寸大小。
25.一种基于分时声镊的多微粒操控装置，包括如下：
26.脉冲设计单元，用于针对待操控的多个微粒，根据预设的操控需求设计超声脉冲序列；所述超声脉冲序列包括多帧脉冲序列，每一帧脉冲序列包含多个脉冲群，每个脉冲群对应不同的全息声参数，脉冲群之间存在时间参数；
27.激励系统，用于加载各帧脉冲序列的全息声参数和时间参数，生成携带有全息声参数和时间参数的激励信号并依次输出至换能器阵列；
28.换能器阵列，用于解析所述激励信号，基于时间参数依次根据各个脉冲群的全息声参数生成超声波束，形成声场势阱，完成一帧脉冲序列对应的多微粒并行操控；完成各帧脉冲序列对应的多微粒并行操控，即可实现对多个微粒的操控需求。
29.在一个具体实施例中，
30.在每个超声脉冲序列中，每帧脉冲序列按预设第一顺序依次排列；在每帧脉冲序列中，每个脉冲群按预设第二顺序依次排列；
31.所述激励系统按照所述第一顺序依次执行每帧脉冲序列对应的微粒操控；
32.在执行每一帧脉冲序列的过程中，所述激励系统以预设方式加载全息声参数，并
按照所述第二顺序依次输出每个脉冲群对应的激励信号。
33.在一个具体实施例中，在一个超声脉冲序列中，相邻两帧脉冲序列之间存在序列间隔，所述序列间隔大于等于零，多个序列间隔之间可相同或不同；
34.在一帧脉冲序列中，相邻两个脉冲群之间存在脉冲群间隔，所述脉冲群间隔大于等于零，多个脉冲群间隔之间可相同或不同。
35.有益效果：
36.本发明提供了一种基于分时声镊的多微粒操控方法及装置，利用快速扫描切换声场波束的方法实现超声波对多微粒的并行操控。利用所有阵元完成一次分解任务，捕获势阱能量大，随着微粒数量的增加，也不会影响捕获势阱的能量。在一个时间段只操控特定数量的微粒，声辐射力强，捕获稳定。超声脉冲序列根据操控需求可编程设计，序列灵活，每个微粒的操控方式，不同数量微粒的排列模式，排列模式的动态变化，以及动态变化的速率都可以操控。对换能器阵元的数量要求相对不高，在保证捕获的稳定性，降低了系统复杂度。
37.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
39.图1是本发明实施例的多微粒操控方法流程图；
40.图2是本发明实施例的多微粒操控方法原理示意图；
41.图3是本发明实施例的脉冲群示意图；
42.图4是本发明实施例的256阵元的相位信息示意图；
43.图5是本发明实施例的一种捕获势阱的位置示意图；
44.图6是本发明实施例的另一种捕获势阱的位置示意图。
45.图7是本发明实施例的一种单点twintrap双阱捕获势阱示意图；
46.图8是本发明实施例的一种单点vortex涡旋捕获势阱示意图；
47.图9是本发明实施例的一种多点focus聚集捕获势阱示意图；
48.图10是本发明实施例的一种多点vortex涡旋捕获势阱示意图；
49.图11是本发明实施例的对第一帧脉冲序列的实验数据图；
50.图12是本发明实施例的对第二帧脉冲序列的实验数据图；
51.图13是本发明实施例的对第三帧脉冲序列的实验数据图；
52.图14是本发明实施例的多微粒操控装置结构示意图。
53.附图标记：1-脉冲设计单元；2-激励系统；3-换能器阵列。
具体实施方式
54.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
55.实施例1
56.本实施例提出了一种基于分时声镊的多微粒操控方法，利用分时声镊，通过快速扫描切换声场波束，来实现对多个微粒的并行操控。多微粒操控方法流程图如说明书附图1所示，具体方案如下:
57.一种基于分时声镊的多微粒操控方法，包括如下：
58.101、针对待操控的多个微粒，根据预设的操控需求设计超声脉冲序列；
59.102、预设的激励系统加载各帧脉冲序列的全息声参数和时间参数，生成携带有全息声参数和时间参数的激励信号并依次输出至预设的换能器阵列；
60.103、换能器阵列解析所述激励信号，基于时间参数依次根据各个脉冲群的全息声参数生成超声波束，形成声场势阱，完成一帧脉冲序列对应的多微粒并行操控；
61.104、完成各帧脉冲序列对应的微粒操控，即可实现多个微粒的操控。
62.其中，超声脉冲序列包括一帧或多帧脉冲序列，每一帧脉冲序列包含多个脉冲群，每个脉冲群对应不同的全息声参数，全息声参数通过相位、幅值、频率等参数表现在各个脉冲群中。脉冲群之间的间隔、脉冲群宽度等构成了时间参数。
63.说明书附图2提供了一种超声脉冲序列图，由多帧脉冲序列组成。每一帧脉冲序列包含n个脉冲群，每个脉冲群对应不同的全息声参数(幅值、相位、频率等)。时间参数包括pw、sw、t、t。pw为脉冲群宽度，sw为序列宽度，每帧脉冲序列中的sw和pw可自行设置，n为脉冲群数，m为帧数，t为序列间隔，t为脉冲群间隔。激励系统加载此时段分任务对应的全息声参数，生成激励信号，激励换能器阵列根据激励信号生成超声波束形成捕获势阱。捕获势阱即为声场势阱。
64.激励系统加载声参数的方式包括多种，可根据需求自行设置。例如，激励系统能够一次性加载完所有的全息声参数，也可按照顺序依次加载全息声参数。加载完声参数后，生成激励信号，按照脉冲群的排列顺序依次输出。
65.其中，脉冲群包括方波、正弦波、调制波等，具体如说明书附图3所示，换能器激励系统输出脉冲群，以激励换能器阵列输出超声波束。通过在脉冲群上加载声参数信息来确定操控微粒的位置、大小、排列形状和运动轨迹等。
66.具体地，用户在pc端根据对多微粒的操控需求设计超声脉冲序列，将多个微粒的操控设计为多个针对少微粒的操控，每帧脉冲序列都可实现多微粒操控。超声脉冲序列的设计思想是将操控多个微粒的总任务分解成操控少量微粒的分任务，分别放到多个时段去实现，每个时段只执行一个分任务，通过对多个时段的快速切换来分时执行多个分任务从而实现对多个微粒并行操控的总任务。各个分任务只控制换能器阵列生成控制其中一个或者少数几个微粒所需的声场势阱，对换能器阵元数量要求相对不高，降低了系统复杂度。由序列上依次排列的多个操控少微粒的声场势阱来综合形成操控多微粒的声场势阱。
67.在超声脉冲序列中，每个分任务表现为一个脉冲群，每帧脉冲序列中可包括一个或多个脉冲群。优选地，一个超声脉冲序列包括多帧脉冲序列，在某些特定情况下，一个超声脉冲序列可以只有一帧脉冲序列，一帧脉冲序列也可以实现操控多个微粒，比如100个微粒的并行操控。
68.在每个超声脉冲序列中，每帧脉冲序列按预设第一顺序依次排列；在每帧脉冲序列中，每个脉冲群按预设第二顺序依次排列；激励系统按照第一顺序依次执行每帧脉冲序列对应的微粒操控；在执行每一帧脉冲序列的过程中，激励系统以预设方式加载全息声参数，并按照第二顺序依次输出每个脉冲群对应的激励信号。在说明书附图2中，先执行第一帧脉冲序列，再执行第二帧脉冲序列。在第一帧脉冲序列中，对n1个脉冲群按特定频率重复切换，实现对至少n1个微粒的动态操控。在第二帧脉冲序列中，依次更新每一个脉冲群对应的全息声参数，从而实现对至少n2个微粒的并行动态操控。
69.脉冲群之间的切换频率实际上指的是脉冲群宽度+脉冲群间隔。在说明书附图2，第一帧脉冲序列中，第一个脉冲群和第二个脉冲群之间的切换频率为pw1+t1。各个脉冲群之间的切换频率可以相同，也可以不同。
70.在一帧脉冲序列中，相邻两个脉冲群之间存在脉冲群间隔，脉冲群间隔大于等于零，多个脉冲群间隔之间可相同或不同。如说明书附图2中，第一帧脉冲序列中的t1和t2不同。一帧脉冲序列中可能包含多个脉冲群间隔，但脉冲群间隔可自由设置，任意两个脉冲群间隔之间可以相同也可以不同。当执行完当前脉冲群后，需等待脉冲群间隔后才能执行下一个脉冲群。当脉冲群间隔等于零时，即相邻两个脉冲群之间不存在间隔时间，执行完当前的脉冲群后，无需等待，直接执行下一个脉冲群。脉冲群间隔可通过编程自行设置。
71.在一个超声脉冲序列中，相邻两帧脉冲序列之间存在序列间隔，序列间隔大于等于零，多个序列间隔之间可相同或不同。即一个超声脉冲序列中可能包含多个序列间隔，但序列间隔可自由设置，任意两个序列间隔之间可以相同也可以不同。当执行完当前脉冲序列后，需等待序列间隔后才能执行下一帧脉冲序列。当序列间隔等于零时，即相邻两帧脉冲序列之间不存在间隔时间，执行完当前的脉冲序列后，无需等待，直接执行下一帧脉冲序列。序列间隔可通过编程自行设置。
72.每帧脉冲序列操控的微粒数量表现在脉冲群的数量。在实际应用中，一帧脉冲序列对应的总任务可处理几十到上百个微粒，每个脉冲群对应的分任务可操控一个或几个微粒。假设一帧脉冲序列中存在n个脉冲群，则执行该脉冲序列可至少操控n个微粒。每帧脉冲序列中可设置几十到上百个脉冲群。相应的，每帧脉冲序列的脉冲群数量可以相同也可以不同，取决于微粒操控的数量。在序列中添加分任务即可增加捕获微粒的数量和位置。
73.多微粒操控需求，包括操控微粒的数量、位置、大小、形状、运动轨迹等。对多微粒的并行操控包括对每个微粒的操控方式、不同数量微粒的排列模式、排列模式的动态变化、以及动态变化的速率等，都可以操控。每个分任务需要操控微粒的数量通过脉冲群数量表现出来，操控微粒的位置、大小、形状和运动轨迹，可通过每个脉冲群中的全息声参数表现出来。全息声参数通过相位、幅值、频率等参数表现在各个脉冲群中。不同的操控需求，表现出的脉冲群的波形不同。分解到每个分任务的声场势阱数量以及势阱类型(聚焦、双阱、涡旋等)都是可编程的，都是通过全息声参数表现出来的。
74.特别地，通过全息声参数中的相位信息和/或幅值信息调整捕获势阱的位置，通过全息声参数中的相位信息和/或幅值信息调整捕获势阱的种类。通过全息声参数中的幅值信息调整捕获势阱的能量大小，通过全息声参数中的频率信息或相位信息调整捕获势阱的尺寸大小。
75.具体地，声参数中的相位信息和幅值信息可以决定捕获势阱的位置和种类。相位
信息示意图如说明书附图4所示。在图4中，呈现了256阵元的相位信息示意图，相位信息可在0-2π之间进行调整。不同的相位信息对捕获势阱的位置影响不同，在说明书附图5和附图6中呈现了两种位置的单点focus聚集捕获势阱，在具体的坐标轴中，两种捕获势阱的坐标数据不同。捕获势阱的种类包括单点focus聚集、单点twintrap双阱、单点bottletrap瓶阱、单点vortex涡旋、多点focus聚集和多点vortex涡旋。在说明书附图6、附图7、附图8、附图9、附图10中各自呈现了一种捕获势阱的种类。附图6呈现了一种单点focus聚集捕获势阱示意图，附图7呈现了一种单点twintrap双阱捕获势阱示意图，附图8呈现了一种单点vortex涡旋捕获势阱示意图，附图9呈现了一种多点focus聚集捕获势阱示意图，附图10呈现了一种多点vortex涡旋捕获势阱示意图。上述捕获势阱的种类均可由相位信息和幅值信息进行控制。
76.全息声参数中的幅值信息可以决定捕获势阱的能量大小。针对相同材料的粒子，能量越大则能捕获的粒子尺寸越大。针对相同尺寸的粒子，能量越大则能捕获的粒子密度越大。在电子系统和换能器的正常工作范围内，增加幅值可以增强捕获势阱的能量。
77.全息声参数中的频率信息和相位信息可以改变捕获势阱的大小。在电子系统和换能器的正常工作范围内，增加频率可以减小捕获势阱的尺寸。
78.优选地，每一帧脉冲序列之间的全息声参数可以相同也可以不同。例如，第一帧脉冲序列和第二帧脉冲序列中的全息声参数全部相同，则意味着这两个总任务都是针对同一批微粒进行相同的操控。如果是重新捕获其他微粒，需要考虑其他微粒的种类和尺寸；如果是并行操控相同个数的粒子进行形状的变换，需要考虑捕获势阱对粒子的捕获力度对运动距离和速度的影响。但都可以通过优化设计脉冲序列的全息声参数和时间参数，实现对多微粒稳定的并行操控。
79.每个脉冲群对应一个或多个微粒，该脉冲群对应的时间段内只操控这一个或多个微粒，声辐射力强，捕获稳定。
80.特别地，分任务之间的时间间隔也是可编程的。每帧脉冲序列之间都具备时间间隔，激励系统加载完当前脉冲序列的全息声参数后，等待时间间隔后，继续加载下一帧脉冲序列的全息声参数。通过控制分任务之间的时间间隔，即可对各个分任务之间的切换频率进行控制。
81.说明书附图11、附图12和附图13呈现了具体的实验数据图。通过第一帧脉冲序列实现对10个微粒同时捕获并呈现正弦形状排列，实验结果如附图11所示。在第二帧同时捕获另外10个粒子或者并行操控原来的10个粒子变换成另一个排列形状，实验结果如附图12所示，同时捕获10个粒子呈现另一种正弦形状排列。在第三帧同时捕获另外10个粒子或者并行操控原来的10个粒子变换成另一个排列形状，实验结果如附图13所示，同时捕获10个粒子呈现另一种正弦形状排列。
82.本实施例提出了一种基于分时声镊的多微粒操控方法，利用快速扫描切换声场波束的方法实现超声波对多微粒的并行操控。利用所有阵元完成一次分解任务，捕获势阱能量大，随着微粒数量的增加，也不会影响捕获势阱的能量。在一个时间段只操控特定数量的微粒，声辐射力强，捕获稳定。超声脉冲序列根据操控需求可编程设计，序列灵活，每个微粒的操控方式，不同数量微粒的排列模式，排列模式的动态变化，以及动态变化的速率都可以操控。对换能器阵元的数量要求相对不高，在保证捕获的稳定性，降低了系统复杂度。
83.实施例2
84.本实施例提供了一种基于分时声镊的多微粒操控装置，将实施例1的操控方法装置化，多微粒操控装置结构示意图如说明书附图14所示，具体方案如下：
85.一种基于分时声镊的多微粒操控装置，包括如下：
86.脉冲设计单元1，用于针对待操控的多个微粒，根据预设的操控需求设计超声脉冲序列；超声脉冲序列包括一帧或多帧脉冲序列，每一帧脉冲序列包含多个脉冲群，每个脉冲群对应不同的全息声参数；
87.激励系统2，加载各帧脉冲序列的全息声参数和时间参数，生成携带有全息声参数和时间参数的激励信号并依次输出至预设的换能器阵列；
88.换能器阵列3，解析所述激励信号，基于时间参数依次根据各个脉冲群的全息声参数生成超声波束，形成声场势阱，完成一帧脉冲序列对应的多微粒并行操控；完成各帧脉冲序列对应的微粒操控，即可实现多个微粒的操控。
89.在每个超声脉冲序列中，每帧脉冲序列按预设第一顺序依次排列；在每帧脉冲序列中，每个脉冲群按预设第二顺序依次排列；激励系统按照第一顺序依次执行每帧脉冲序列对应的微粒操控；在执行每一帧脉冲序列的过程中，激励系统2以预设方式加载全息声参数，并按照第二顺序依次输出每个脉冲群对应的激励信号。在说明书附图2中，先执行第一帧脉冲序列，再执行第二帧脉冲序列。在第一帧脉冲序列中，对n1个脉冲群按特定频率重复切换，实现对至少n1个微粒的动态操控。在第二帧脉冲序列中，依次更新每一个脉冲群对应的全息声参数，从而实现对至少n2个微粒的并行动态操控。
90.激励系统2加载声参数的方式包括多种，可根据需求自行设置。例如，激励系统2能够一次性加载完所有的全息声参数，也可按照顺序依次加载全息声参数。加载完声参数后，生成激励信号，按照脉冲群的排列顺序依次输出。
91.在一个超声脉冲序列中，相邻两帧脉冲序列之间存在序列间隔，序列间隔大于等于零，多个序列间隔之间可相同或不同。在一帧脉冲序列中，相邻两个脉冲群之间可设置脉冲群间隔，脉冲群间隔大于等于零，多个脉冲群间隔之间可相同或不同。
92.本实施例提供了一种基于分时声镊的多微粒操控装置，将实施例1的多微粒操控方法系统化，使其更具实用性。
93.本发明提供了一种基于分时声镊的多微粒操控方法及装置，利用快速扫描切换声场波束的方法实现超声波对多微粒的并行操控。利用所有阵元完成一次分解任务，捕获势阱能量大，随着微粒数量的增加，也不会影响捕获势阱的能量。在一个时间段只操控特定数量的微粒，声辐射力强，捕获稳定。超声脉冲序列根据操控需求可编程设计，序列灵活，每个微粒的操控方式，不同数量微粒的排列模式，排列模式的动态变化，以及动态变化的速率都可以操控。对换能器的阵元数量要求相对不高，在保证捕获的稳定性，降低了系统复杂度。
94.本领域普通技术人员应该明白，上述的本发明的各模块可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，他们可以用计算机装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
95.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
96.以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。