4、超声驱动的微/纳米机器人：原理与应用探索

超声驱动的微/纳米机器人：原理与应用探索

1. 超声物理基础

在探讨各类由超声驱动的纳米电机之前，有必要先了解超声对悬浮在水中的胶体粒子的影响。主要涉及两种声学效应：声辐射力和声流，这对超声驱动的微/纳米电机至关重要。

1.1 声辐射力

当物体处于传播的声波路径中时，会产生散射波，并因动量传递而受到压力，这种压力经物体整体积分后形成声辐射力。该力的存在早在19世纪就已被知晓。后来，King、Yosioka和Kawasima以及Gorkov等人的研究建立了描述作用于粘性液体中小颗粒的声辐射力的控制方程。

对于驻超声波的特殊情况（如下面讨论的微棒流子），声辐射力较强，其计算公式为：
[F_{w} = \Phi(\beta, \rho) \frac{p_{0}^{2}V}{2\lambda} \sin^{2}(kd)]
其中，$k$ 是波数，$\lambda$ 是波长，$V$ 是粒子体积，$d$ 是粒子与驻波节点或波腹的距离。力的大小与压力振幅的平方 ($p_{0}$) 和粒子体积 $V$ 成正比。式中的 $\Phi(\beta, \rho)$ 是声学对比度因子，计算公式为：
[\Phi(\beta, \rho) = \frac{5}{2} \frac{\rho_{c} - \rho_{w}}{\rho_{c} + 2\rho_{w}} - \frac{\beta_{c} - \beta_{w}}{\beta_{c} + 2\beta_{w}}]
其中，$\rho_{c}$ 和 $\rho_{w}$ 分别是粒子和介质的密度，$\beta_{c}$ 和 $\beta_{w}$ 分别是粒子和介质的压缩性。若 $\Phi(\be