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作者:张晴丹 来源:明升手机版(明升中国)微信公众号 发布时间:2023/11/20 20:22:56
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从读博屡受挫到优秀app家,他说“眼高手低做不了科研”

 

“你不适合读博,也不适合做科研。”18年前,导师对王钻开说的这番话,几乎断送他的学术生涯,那时能拿博士学位竟成了一种奢望。

读博历经三次波折,梦想一次次被碾碎又一次次再重塑,他不愿认命、不肯放弃,逆风翻盘,在43岁那年发表了第一篇Nature论文。这些年在Nature、Science、Nature Physics、Nature Nanotechnology、Nature Materials等杂志上发表论文200余篇,被引1.9万多次。连续两年入选科睿唯安全球高被引app家。

最近,香港理工大学机械工程系教授王钻开团队又完成了一项十分有趣的研究。他们与中山大学先进制造学院副教授吴嘉宁合作,在蜜蜂的启示下,构建弹性仿生刚度梯度弹射器,并开发出仿生机器人。更妙的是,这种仿生机器人还能与太阳能板相结合形成自清洁系统。相关研究论文发表在Nature Nanotechnology。

王钻开  受访者供图

一把神奇的“梳子”,一项新奇的发明

过去十几年,王钻开一直在思索一个问题——如何让物体表面实现自清洁功能。例如我国西部的太阳能板蒙尘后性能会大打折扣,而当地缺水又给清洁工作增加了难度。如果太阳能板能自己变干净,那该多好。

对大自然有着细腻观察力的他,在小蜜蜂身上捕捉到一个神奇的现象,为研究自清洁提供了灵感。

很多昆虫的前肢上都存在一把“梳子”,像蚂蚁在用“梳子”清洁完触角后,会使用口器对“梳子”进行清洁,以便下一次使用,但蜜蜂却很少有“梳子”清洁行为。蜜蜂在无数花朵上停留采集花蜜和花粉,虽然经常用这把“梳子”清洁触角,但不用清理“梳子”便可立马飞向下一朵花继续工作。

“我们怀疑蜜蜂有自清洁的本领。”作为最近这篇论文的通讯作者,王钻开对《明升中国app报》说。但蜜蜂太小了,仅靠肉眼观察,很难窥其真谛,于是他们进一步做微观表征,用高速摄像机拍下蜜蜂清洁触角的过程,结果发现蜜蜂前肢上的“梳子”刷完触角后,粘上的颗粒都被弹出去了。

“这一切仅发生在几毫秒之内,颗粒是以很高的加速度弹出去的,因此我们猜测蜜蜂的自清洁能力是利用了一种弹射机制,而非重力作用下的自由落体运动。”论文第一作者、香港城市大学机械工程系博士张威在接受《明升中国app报》采访时说。

进一步揭示其机理发现,“梳子”由很多梳毛组成,每根梳毛长约38微米,上面有跨越近两个数量级的刚度梯度,其尖端是软的,但到根部逐渐变硬。当刷触角时,“梳子”弯曲变形储存弹性能量,那些巧夺天工的刚度梯度结构可增大弹性能量的储存,加速弹性能的释放,缩短能量“爆发”的时间,产生并输出更大的惯性力,以克服黏附力,将花粉和灰尘颗粒飞速弹出去。

破解弹射机制后,王钻开团队要做的就是把设计如此精妙的微观结构在宏观层面实现。而要达到清洁效率的提高,就需要设计类似的刚度梯度,这一点十分困难。

一般的材料都是同质的,研究团队尝试了很多种方法,经历了许多失败后才让材料最终实现了渐变,并制造出仿生刚度梯度弹射器,其杨氏模量从尖端的2兆帕逐渐增加到根部的150兆帕,能真正实现“居尘不染尘”。

在此基础上,他们还开发出自清洁机器人。很多户外大型基础设施都受灰尘的困扰,人工维护所需的精力和成本颇高,如果能在这些设施上布置自清洁机器人,便可一劳永逸。比如在太阳能板上安装自清洁机器人后,既省成本,还可长期维持表面清洁,保障稳定的电能供应。

这样的设计思路也为生物材料、功率调制以及能量转换等领域研究提供了重要参考。

两次读博被“开除”,“坚持”改变命运

王钻开先后在吉林大学、明升中国app院上海微系统与信息技术研究所获得学士和硕士学位后,对科研有了更多的期待。在出国浪潮高涨的2003年,本来硕博连读的他放弃了继续读博的机会,选择出国深造。他向新加坡和美国的10所大学递交了博士申请,只拿到了来自美国波士顿大学的唯一offer。

彼时,在王钻开心目中,微电子代表着先进app的方向,是时髦专业,也好找工作,于是第一学期他选的都是射频电路、集成电路等和所在的机械系不太相关的课程。由于英语听力存在短板,再加上此前从未接触过这些课程内容,王钻开的几次考试成绩都不理想,这给他带来了极大的压力。

因为学习上达不到要求,导师让他换课题组,相当于被“开除”了。

很快,王钻开转到一位新入职的年轻老师组里,成了她的第一名博士生。但这样的仓促选择又埋下了不好的伏笔。新导师安排的课题是用纳米压痕测量水凝胶的力学性能,这让好不容易从机械转到微电子的王钻开大失动力,眼高手低的他自作主张做起了别的课题,但由于实验能力太差,几乎毫无进展。

实验室简陋、设备不齐全,也让曾在国家重点实验室待过的王钻开有了很大的心理落差,产生了消极怠工情绪。“那时候太肤浅,也太依赖已有的平台,以为科研就是拼设备。”2004年5月3日,王钻开永远记得这一天,他收到了导师发来的“扫地出门”的信。按照美国高校规定,4月15日各大院校录取早已截止,错过校招时间的王钻开,心情瞬间跌入谷底。

王钻开心有不甘,也不想就此灰溜溜回国,他抱着“死马当活马医”的心情,给多国高校共发出100多封申请信,但只收到两封回信,且都不是很理想。5月9日,他继续向全球各地的高校争取一线生机,一直写信到凌晨4点,波士顿的绿线地铁早已停运,只能步行回家,黑暗中踽踽独行的身影落满狼狈。

好在天无绝人之路,王钻开收到了美国伦斯勒理工学院教授Nikhil Koratkar的回复,成功申请到2004年秋季的博士。

一年半的时间里,王钻开就换了3个实验室,经历一连串打击后,他变得敏感,开始琢磨老师的每一个眼神,每日战战兢兢,很害怕自己再次被开除。久而久之,他与导师越来越疏远,几乎毫无交流。在如此高压的笼罩下,王钻开各方面都表现不佳,课题也止步不前,这让导师产生了撵人的想法。

12月23日这天,大雪纷飞,气温跌到了零下15摄氏度,Koratkar把王钻开叫到办公室说:“我觉得你不适合读博,也不适合做科研。如果资格考试你没通过,半年后走人;如果通过资格考试,我也未必留你。为了保险起见,下学期你多修一些课,就不要再做研究了,这样至少可以拿个硕士学历。”

眼看着刚刚打开的窗户又要关闭,王钻开提醒自己一定不要再次错失机会。已经没有课题可做的他,把主要精力放在应对资格考试上,但做研究的这束火苗并未被就此扑灭。

一次偶然的机会,他从材料系教授Ajayan课题组做博士后的慈立杰那里获得了一些碳纳米管样品。他本能地将一滴水放在碳纳米管表面上,小水珠呈现出荷叶上的球状,格外晶莹剔透。这种现象叫荷叶效应,虽然已有人在该领域做出开创性研究,但对王钻开来说却是第一次接触到。

“我在液滴上加了两伏电压,液滴完全铺开并浸润到碳纳米管里面。当我把反向电压加到100伏时,液滴却没有任何变化。我立即把这一现象告诉了导师,他兴奋极了,甚至认为这个发现可以发Nature。”王钻开说。

“一滴水”让王钻开的科研生涯发生了逆转,他重拾信心和动力,全身心扑在科研上,最终把这项研究发表在材料学领域顶刊Nano Letters上,并获得了“全美杰出材料研究生银奖”和“国家优秀自费留学生奖”。这个工作后来甚至被诺贝尔奖得主K. S. Novoselov在Nature论文中引用。

回国继续科研梦,让“冷门”领域回暖

博士顺利毕业后,王钻开并未留在美国发展,而是选择回国一展宏图。

2009年底,王钻开入职香港城市大学,拿到20万港币的启动经费,实验室不足10平方米。在那样艰难的岁月,他招到了第一名博士生陈雪梅(现为南京理工大学教授),专业是压电陶瓷。看着教育背景不那么华丽的学生,王钻开仿佛看到了当年的自己,年轻时的心高气傲或许根本看不上这样一个一无所有的实验室。

“辗转美国3个实验室的经历,让我明白,科研并不仅仅是拼设备,更多的是思想的竞赛,用最少的钱产出更多的新知识、新思想、新体系。”王钻开说。

而且,对科研的重新认知也让他不再抵触自己的老本行。机械工程已有200多年历史,是一个相对“冷门”的学科,这个领域几乎与Nature等顶级学术期刊绝缘,“做‘冷门’研究,难度系数更大。但俗话说,‘风浪越大鱼越贵’,我很想把这样一个相对‘冷门’的领域复活”。

这些年,王钻开真的把这门古老的学科做出了新花样。

2014年,他发现了一滴水能呈饼状从表面弹起,并揭示了液体和固体相互接触最短时间的极限,这一研究成果入选吉尼斯世界纪录,也被Nature Physics评为过去15年15篇代表论文之一。

2020年,他发现了一滴水可以发电,一滴雨水的动能可点亮100个小LED灯,这项研究发表在Nature上。这一年,他获得了“app探索奖”。2022年,他加入了香港理工大学。

如今,王钻开在Nature、Science、Nature Physics、Nature Materials等杂志上发表论文200余篇,被引1.9万多次。在被大家吐槽为“天坑”之一的机械工程专业,王钻开用实际行动和杰出成绩扭转了“口碑”,让其魅力和前景被更多人看到,“冷门”逐渐转变为“热门”。

从他的实验室里走出来的学生,也在许多领域取得了不斐的成绩。对于自己曾经犯下的错误,王钻开从不避讳,常以己为诫引导学生。“做科研一定要一步一步走,切勿好高骛远。如果我的经历能对在读的博士生有所启发,我就很欣慰了。”

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