2025年2月6日，河南大學王博研究員與復旦大學資劍教授、石磊教授，以及NTU申藝傑助理教授和西班牙Donostia國際物理中心Konstantin Bliokh教授等科學家聯合發表了題為「拓撲水波結構操縱粒子」的論文。
該論文研究了拓撲物理與流體力學的交叉研究，在國際學術《自然》上發行，利用拓撲水波對粒子進行了設計，為粒子技術提供新方向。 最終成果獲國際頂級學術媒體Phys.org、AZoQuantum等爭相報道，被評價為「流體力學領域的範式突破」。
研究團隊與成果發表
研究團隊利用量子計算優化波場參數，實時動態調整控制精度，首次實現亞毫米級浮物定位，誤差小於0.1毫米。
該研究成果於2025年2月6日發表在《Nature》上，為未來的海洋工程和環保領域提供了新的解決方案。
成果發表頁面。來源：Nature
河南大學未來技術學院王博研究員為論文第一作者，
復旦大學物理學系博士後車治轅為論文共同第一作者，
復旦大學物理學系資劍教授與石磊教授、西班牙Donostia國際物理中心Konstantin Bliokh教授、南洋理工大學申藝傑助理教授為論文共同通訊作者
來源：AAAS
水波的力量
一、研究背景
水波，是自然界中最常見的現象之一。
從海浪的洶湧澎湃到湖面的微波蕩漾，它們蘊含著巨大的能量。
然而，長期以來，人類對水波的利用大多停留在被動階段，比如利用波浪發電或藉助海流航行。
南洋理工大學的這項研究，將我們與水波的互動提升到了一個全新的高度——主動操縱水波，實現對漂浮物體的精準控制。
水波浮動。圖片來源：NTU
二、技術核心
波編程與量子算法融合
研究團隊提出「結構化水波場」理論，通過精密算法設計水波頻率、振幅與干涉模式，將無序波動轉化為可編程的「水力抓手」。
研究團隊首先在三波干涉場中成功生成了多種拓撲水波結構。
包括位移場中的相位渦旋、Skyrmion晶格、自旋密度場中的Meron晶格、局部水面粒子的圓偏振奇點以及偏振莫比烏斯帶等。
隨後，通過多波（24束）干涉技術，構造了不同階數的貝塞爾型水波渦旋場，成功觀測到了位移場中的高階相位渦旋以及Skyrmionium的生成。
實驗上生成和觀測到的拓撲水波結構：
a.水波位移場Skyrmions, 自旋密度場Merons和偏振奇點與莫比烏斯環。
b.具有不同拓撲荷的貝塞爾型水波渦旋，自旋和軌道角動量垂直分量具有鎖定關係。
來源：河南大學官網
關鍵突破：
1. 利用量子計算優化波場參數，實時動態調整控制精度
2. 首次實現亞毫米級浮物定位，誤差小於0.1毫米
這一研究系統性地揭示了拓撲學在水波體系中的豐富表現形式，為深入探討經典波動體系中的拓撲效應提供了重要的理論與實驗依據。
新加坡南洋理工大學申藝傑助理教授與水波實驗裝置合影。
來源:NTU
三、科學原理
從混沌到有序的波場控制
傳統水波受湍流與能量耗散限制，難以精準操控物體。NTU技術通過三大創新破解難題：
1. 波導結構設計：在水面布置微型振子陣列，生成干涉條紋引導浮物運動
實驗中用於產生波的結構。
來源：河南大學
2. 自適應反饋系統：AI實時分析浮物位置，動態修正波場參數
3. 能量局域化：通過波頻共振將能量聚焦於目標區域，減少環境干擾
水在水箱中由環形塑料結構產生的波浪產生的複雜圖案中旋轉的方式。來源：河南大學
國際評價與應用前景
一、國際學術評價
Phys.org（UK，3月11日）
「該技術首次將水波從『自然擾動源』轉化為『可控能量工具』，為流體操控開闢全新維度。」
這項研究成果為水波的應用開闢了新的可能性。
該技術不僅在實驗室中取得了成功，未來還可能在海洋環境中實現大規模應用，為海洋工程和環保領域帶來新的希望。
AZoQuantum（UK，3月11日）
「量子算法與流體力學的交叉應用，預示下一代智能海洋設備的誕生。」
這項研究的突破性在於其對水波的精準操控能力。
通過生成複雜的波浪模式，研究人員能夠實現對漂浮物體的精確移動和固定，這一成果在未來的海洋資源開發和環境保護中具有重要意義。
Tech360TV（新加坡，3月11日）
「商業轉化潛力巨大，或催生萬億級水下機器人市場。」
這項研究不僅展示了水波的操控能力，還為未來的海洋工程和環保領域提供了新的解決方案。
該技術可以用於清理水面上的化學污染物，甚至可以操控大型船隻的移動方向，為海洋經濟的可持續發展提供了新的思路。
二、應用前景
從海洋工程到醫藥靶向
1. 海洋環保：精準引導海上溢油收集裝置，效率提升50%，控制漂浮傳感器網絡監測赤潮，覆蓋範圍擴大3倍。
2. 醫療科技：無創操控載藥微囊靶向腫瘤區域，減少健康組織損傷，輔助微創手術器械在血管內的定向運動。
3. 工業製造：微米級晶片的無接觸水下組裝，避免機械損傷。
三、研究意義
這項共同進行的研究再次證明，科技的力量可以將自然界的規則轉化為人類的工具。
從操縱水波到精準控制漂浮物，我們看到了人類智慧與自然力量的完美結合。
未來，隨著這項技術的不斷完善和推廣，我們有理由相信，海洋將不再是一個難以駕馭的領域，而是人類可持續發展的新舞台。
讓我們一起期待，這項創新技術如何在未來的海洋舞台上大放異彩，開啟人類與海洋和諧共生的新篇章！
