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物理学院杨元杰教授团队成功研制出意念控制的光镊系统
文:彭璐 图:彭璐 来源:物理学院 时间:2024-03-31 3516

  近日,电子科技大学物理学院杨元杰教授光场调控团队利用脑机接口技术,在国际上率先成功研制出了利用脑电波控制的光镊系统,可以实现平时在魔术中看到的“隔空取物”。该工作是我校脑机接口领域的又一项重要进展,相关研究成果以“Mind-Controlled Optical Manipulation(意念控制的光镊)”为题,发表在物理类一区TOP期刊ACS Photonics上。物理学院光场调控团队二年级硕士研究生彭璐为论文第一作者,杨元杰教授和张庆副教授为共同通讯作者,电子科技大学为第一单位。

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  千百年来,人类一直梦想着能够用意念抓取和移动现实中的物体。这个愿望随着脑机接口技术的发展,已经悄悄地变成了现实。但直到目前为止,所有脑机接口技术的应用都局限在宏观领域,例如用机器手抓取食物等物体。近年来,在微米和纳米尺度下的微操控技术在科技中发挥了越来越重要的作用。如何实现在微观领域中意念操控,是国际上一直未被解决的问题。杨元杰团队将脑机接口与光镊这两个前沿技术相结合,成功实现了在微观领域利用脑电波直接操控微纳粒子,为脑机接口技术进入微观世界打开了一扇大门。

  光镊又叫光学操纵或光学捕获,是一种利用聚焦激光束的光力来捕获和移动微观粒子的非侵入式技术。最初的光捕获是通过聚焦高斯光束实现的,使粒子稳定地捕获在光束中心,这一概念最早由Arthur Ashkin于1986年提出。2018 ,Ashkin因此贡献获诺贝尔物理学奖。由于涡旋光束的轨道角动量(OAM)可以传递粒子,因此涡旋光光镊可以使粒子轨道旋转。粒子的轨道半径及旋转速度可通过涡旋光束的拓扑荷大小控制,旋转方向则可通过拓扑荷的符号调节。

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  图1 意念光镊的示意图。佩戴脑电设备的操作人员可以利用脑电信号直接控制空间光调制器,将入射光束调制成不同的涡旋光束,再通过物镜聚焦形成涡旋光阱,最终实现对粒子的远程捕获和操纵。

  如图1 所示,该意念光镊系统通过非侵入式脑机接口技术获取人脑意识,将脑电波通过Wi-Fi发送给空间光调制器,进行实时光场调控,产生不同的结构光,进而控制微粒运动,完成人脑与粒子之间的深度交互。

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  图2 意念控制微粒运动的轨迹。拓扑电荷l=+13,+15,-15的涡旋光束操纵聚苯乙烯微球,绿色圆圈表示漩涡光阱的轮廓,右上角的红色箭头表示粒子旋转的方向。

  在这一系统中,操作者双手无需触碰任何实物,仅凭意念即可操控光场,完成人脑意识的映射和微粒运动的操纵,并利用CMOS实时记录微粒的运动轨迹,如图2所示。该研究首次将人脑智能与光学操纵相结合,使操作者通过意念就能远程操纵微粒或细胞,将脑机接口技术推向了微米和纳米量级。

  2024年正好是人类脑电波被发现的第100个年头,目前脑机接口技术是国际上的研究热点。脑机接口与光场调控的交叉研究具有的重要的科学意义和巨大的应用潜力,该研究为未来脑机交互提供了新的应用场景。据悉,该论文发表后仅一周时间,杨元杰教授便收到了国际光学工程学会在美国圣地亚哥举办的光学捕获与光学微操控年会(Optical Trapping and Optical Micromanipulation XXI conference)大会主席K. Dholakia 教授的邀请,将在今年8月份的年会上作特邀报告。该会议是光学操控领域的顶级国际会议,Dholakia教授在邀请函中特别提出希望杨老师能在大会上与大家分享意念光镊的相关研究,显示了国际同行对该工作的关注和重视,也显示了我校在该领域的学术影响力。

  论文链接

  https://doi.org/10.1021/acsphotonics.3c01732

编辑:李果  / 审核:李果  / 发布:陈伟

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