讓機(jī)器擁有“觸覺(jué)”
——記北京航空航天大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院副研究員姜翔宇

謝明昊

化學(xué)、力學(xué)、磁學(xué)等各類(lèi)傳感器件是未來(lái)智能化機(jī)械設(shè)備、高精度機(jī)床及智能機(jī)器人等高端工業(yè)設(shè)備必不可少的元器件，傳感器的靈敏度和精確度決定了這些設(shè)備的技術(shù)水平和性能。

目前，提高傳感器的靈敏度已經(jīng)成為傳感領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)，盡管一維傳感器元件具有更大的比表面積及更高的材料利用率，能大幅度提高傳感器的靈敏度，但各類(lèi)傳感材料的一維化普遍面臨加工方法上的技術(shù)瓶頸。

面對(duì)這一技術(shù)瓶頸，北京航空航天大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院副研究員姜翔宇研究出了新的方法，他從控制溶液揮發(fā)過(guò)程中三相線(xiàn)的移動(dòng)出發(fā)，利用界面微結(jié)構(gòu)和化學(xué)修飾協(xié)同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感材料的一維化構(gòu)筑，為開(kāi)發(fā)高性能高靈敏度傳感器件奠定了基礎(chǔ)。在可見(jiàn)的未來(lái)，研發(fā)可應(yīng)用的一維傳感器，是姜翔宇努力的最終目標(biāo)。

燈塔

姜翔宇科研旅程的起點(diǎn)，是一場(chǎng)全國(guó)高中生化學(xué)競(jìng)賽，他獲得了一等獎(jiǎng)。憑借這個(gè)優(yōu)異的成績(jī)，他被直接保送到吉林大學(xué)化學(xué)基地班。在基地班里，姜翔宇能力突出，經(jīng)常與老師探討科學(xué)問(wèn)題，在大三那年，他進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始直面科學(xué)的世界。

兩年的時(shí)間，在實(shí)驗(yàn)室努力鉆研的姜翔宇發(fā)表了兩篇《科學(xué)引文索引》（SCI）論文，他對(duì)科研產(chǎn)生了巨大的興趣。本科畢業(yè)后，姜翔宇被保送本校進(jìn)行碩博連讀，并在中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中科院理化所”）進(jìn)行聯(lián)合培養(yǎng)。在之后的5年時(shí)間里，他大多數(shù)的時(shí)間都在中科院理化所度過(guò)，在這里，姜翔宇遇到了對(duì)他人生影響很大的江雷院士。

江雷院士對(duì)姜翔宇來(lái)說(shuō)就像燈塔一樣，照亮他日后的科研道路?！拔矣X(jué)得自己真正走上科研的道路還是在遇到江老師之后，因?yàn)橹半m然對(duì)科研感興趣，但更多的是喜歡動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，而缺少對(duì)課題的思考和想象。因?yàn)榻蠋煹慕虒?dǎo)，我慢慢意識(shí)到科研并不是單純地做實(shí)驗(yàn)，也要有思路和邏輯思維能力?！苯栌钣芍缘卣f(shuō)道。

博士畢業(yè)后，姜翔宇繼續(xù)跟著江雷院士在中科院理化所做博士后相關(guān)的工作。“我最初的工作是研究磁性粒子仿生，我仿生的生物是鴿子。鴿子的體內(nèi)有上喙皮細(xì)胞內(nèi)磁性晶簇，使它具備了定位的能力，所以我仿照鴿子磁性粒子鏈這個(gè)一維的結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)各種材料的一維結(jié)構(gòu)?！苯栌罱忉屨f(shuō)。

為此，姜翔宇系統(tǒng)研究了各種影響因素對(duì)納米線(xiàn)的結(jié)構(gòu)和形態(tài)的影響，研究結(jié)果表明，良好的疏水性是采用液橋去浸潤(rùn)法制備金屬粒子納米線(xiàn)的必應(yīng)條件。最終，姜翔宇采用銀納米粒子和四氧化三鐵納米粒子作為組裝材料，利用固體表面浸潤(rùn)性的原理和差異浸潤(rùn)性的原理，分別采用液橋去浸潤(rùn)法和液膜定向收縮法制備了大面積的規(guī)整的銀納米粒子線(xiàn)和四氧化三鐵磁性納米線(xiàn)?！安⑶矣捎谥苽涞乃难趸F磁性納米線(xiàn)的長(zhǎng)寬比十分懸殊，所以當(dāng)結(jié)構(gòu)在磁場(chǎng)內(nèi)與磁場(chǎng)形成不同角度時(shí)，它的磁化強(qiáng)度會(huì)不同。利用這種磁各向異性，我們就有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)地磁場(chǎng)方向的感知從而實(shí)現(xiàn)定位的作用。”此后，姜翔宇根據(jù)江雷院士的研究方向——超浸潤(rùn)原理，將他最終的研究方向確定為基于浸潤(rùn)性原理的一維傳感器制備。

2019年，結(jié)束博士后工作后，姜翔宇入職北京航空航天大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院，擔(dān)任副研究員，開(kāi)啟新的科研旅程?！敖蠋熡X(jué)得北航對(duì)傳感器的需求非常大，而我一直在做傳感器相關(guān)的工作，這樣可以有更多的結(jié)合，可能對(duì)未來(lái)的研究有幫助，所以我來(lái)到了北航?！?/p>

碩果

目前，如何提高傳感器的靈敏度是傳感器研究領(lǐng)域的重中之重。姜翔宇研究的一維傳感器比其他的二維、三維傳感器具有更大的比表面積，材料的利用效率更高，最重要的是它能大幅度提高傳感器的靈敏度?！半m然一維傳感器有很大的優(yōu)勢(shì)，但是傳感材料的一維化在加工方法上面臨著瓶頸。”

姜翔宇介紹說(shuō)，主要原因在于傳感材料通常不具備自組裝性，只能采用溶液旋涂等方式鋪展成二維膜結(jié)構(gòu)來(lái)制備器件，同時(shí)溶液的不可控分割和收縮（即氣-液-固三相線(xiàn)的不可控錨定和移動(dòng)），還會(huì)導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)的不完整。

針對(duì)這一難題，姜翔宇從控制溶液揮發(fā)過(guò)程中三相線(xiàn)的移動(dòng)出發(fā)，利用界面微結(jié)構(gòu)和化學(xué)修飾協(xié)同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感材料的一維化構(gòu)筑。他通過(guò)誘導(dǎo)連續(xù)液膜分割成獨(dú)立的液橋陣列及表面張力拉伸形成液橋的方法使得每一個(gè)液橋具有獨(dú)立的三相線(xiàn)，且其錨定位點(diǎn)和移動(dòng)方向可精確控制。此外，姜翔宇進(jìn)一步調(diào)控獨(dú)立液橋的形貌和尺寸，通過(guò)限域誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)單元的組裝，實(shí)現(xiàn)了可控的大面積一維化陣列傳感器件制備，為開(kāi)發(fā)高性能高靈敏度傳感器件奠定了基礎(chǔ)。

姜翔宇的研究并沒(méi)有止步于此，他利用開(kāi)發(fā)的方法制備了化學(xué)傳感器、光電傳感器及磁場(chǎng)方向傳感器，其中光信號(hào)化學(xué)傳感器的靈敏度提高到了傳統(tǒng)光信號(hào)傳感器的兩倍；光電傳感器和磁場(chǎng)方向傳感器的靈敏度處于世界領(lǐng)先水平。

在化學(xué)傳感器方面，姜翔宇發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的化學(xué)傳感器以二維膜結(jié)構(gòu)為主，因其與環(huán)境氣體的接觸面積（比表面積）較小而使其靈敏度一般較低。若能將傳感器一維化，則能顯著提高其與環(huán)境氣體的接觸面積，進(jìn)而大幅度提高有機(jī)氣體傳感器的靈敏度。

于是，姜翔宇通過(guò)利用固體表面浸潤(rùn)性原理，將銀納米粒子溶液形成取向性液橋，再通過(guò)溶劑揮發(fā)制備出大面積規(guī)整的銀粒子納米線(xiàn)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)二次去浸潤(rùn)過(guò)程，將聚合物包覆在銀粒子納米線(xiàn)表面，制備一維同軸復(fù)合型納米線(xiàn)陣列。當(dāng)外層聚合物接觸有機(jī)氣體時(shí)發(fā)生溶脹現(xiàn)象，導(dǎo)致聚合物鏈對(duì)內(nèi)層銀粒子產(chǎn)生擠壓，使納米線(xiàn)的整體導(dǎo)電性下降。不同有機(jī)氣體引起納米線(xiàn)導(dǎo)電性下降的程度存在差異，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同有機(jī)氣體的檢測(cè)。

在光信號(hào)化學(xué)傳感器方面，姜翔宇考慮到傳統(tǒng)熒光氣體傳感器是利用波長(zhǎng)移動(dòng)型熒光染料來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)，由于熒光分子相互作用較弱，使得傳感器具有較低的靈敏度和較差的特異性識(shí)別性能。因此，他通過(guò)結(jié)合聚合物和聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）分子，在不對(duì)稱(chēng)浸潤(rùn)性界面上限域構(gòu)建聚合物/AIE熒光微米線(xiàn)陣列作為氣體傳感器，利用聚合物溶脹誘導(dǎo)光強(qiáng)變化實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)氣體的高靈敏和特異性檢測(cè)。

姜翔宇建構(gòu)的聚合物/AIE熒光氣體傳感器具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、靈敏度高于傳統(tǒng)熒光傳感器的優(yōu)勢(shì)。他通過(guò)理論計(jì)算揭示了熒光傳感器用于氣體檢測(cè)的機(jī)理，并且利用現(xiàn)有商品化聚合物或AIE材料構(gòu)建傳感器陣列，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同有機(jī)氣體的識(shí)別，證明了方法具有普適性。

在磁場(chǎng)方向傳感器方面，現(xiàn)在磁傳感器的核心是由磁性材料組成的磁感應(yīng)元件，很重要的一個(gè)參數(shù)就是材料的長(zhǎng)徑比，長(zhǎng)徑比越大對(duì)磁場(chǎng)方向的檢測(cè)越靈敏。增加長(zhǎng)度或減小直徑是提高長(zhǎng)徑比的兩個(gè)渠道，增加長(zhǎng)度受器件尺寸限制已經(jīng)達(dá)到極限，而材料一維化是縮小直徑最有效的方法，但由于磁性材料自身的相互作用力，導(dǎo)致磁傳感材料的一維化一直是這個(gè)領(lǐng)域的難題。

姜翔宇通過(guò)差異浸潤(rùn)性修飾的模板，限制磁性材料組裝的空間，利用差異浸潤(rùn)性界面控制水溶液液膜定向收縮的方法，第一次實(shí)現(xiàn)了超順磁粒子的線(xiàn)性組裝。通過(guò)調(diào)節(jié)磁性納米粒子在溶液中的濃度，一維結(jié)構(gòu)的寬度可以在160nm到1060nm之間調(diào)控。當(dāng)磁性納米線(xiàn)在磁場(chǎng)內(nèi)與磁場(chǎng)方向形成不同角度時(shí)，它的磁化強(qiáng)度會(huì)不同，利用這種磁各向異性能實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)方向的感知從而實(shí)現(xiàn)定位。

以上研究工作已發(fā)表學(xué)術(shù)論文18篇，包括國(guó)際期刊《自然·通訊》（Nature Communications）和《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）等，相關(guān)工作被國(guó)際同行關(guān)注，并被《自然》（Nature）等雜志專(zhuān)題報(bào)道。

來(lái)到北京航空航天大學(xué)后，姜翔宇將目光投向了觸覺(jué)傳感器?！拔已芯坑|覺(jué)傳感器，是因?yàn)槟壳案咝阅艿墓I(yè)機(jī)床、包括人工智能在內(nèi)的各種與日常生活相關(guān)的服務(wù)設(shè)施，如手機(jī)、電腦、自動(dòng)柜員機(jī)、家用電器等，以及娛樂(lè)、教育的媒介載體等紛紛開(kāi)始了‘觸覺(jué)革命’，研究起了觸覺(jué)傳感器。”

觸覺(jué)傳感器以信號(hào)傳導(dǎo)的形式將觸覺(jué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，能實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)信息的快速精確傳導(dǎo)，在人體臨床診斷、健康評(píng)估、健康監(jiān)控、虛擬電子、柔性觸摸屏、服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域擁有很大的應(yīng)用潛力。柔性觸覺(jué)傳感器為感知外界物體提供可靠的信息，如外物的尺寸、形狀、紋理等特性，還能提供安全和友好的交互體驗(yàn)，類(lèi)似于人類(lèi)皮膚的功能，因此也被稱(chēng)為電子皮膚。

在姜翔宇看來(lái)，傳統(tǒng)的觸覺(jué)傳感器微型化效果比較差，一般都是做膜或者大塊的點(diǎn)陣，這些影響了觸覺(jué)的精度，“你看人類(lèi)手指上的皮膚，它的傳感單元是非常小的，一個(gè)手指的指尖上就有上萬(wàn)個(gè)”。而他利用浸潤(rùn)性原理可實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)機(jī)粒子、有機(jī)小分子、聚合物等物質(zhì)的微納米尺度一維結(jié)構(gòu)構(gòu)筑，形成高靈敏小體積的傳感器部件，因此他在這個(gè)方向上有著巨大的優(yōu)勢(shì)。

如今，傳感器的微型化已經(jīng)成為未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)，面對(duì)時(shí)代的潮流，姜翔宇選擇融入潮流，向著傳感器微型化領(lǐng)域發(fā)展。他現(xiàn)階段的工作主要是利用柔性材料包覆光信號(hào)或者電信號(hào)材料，做成一個(gè)復(fù)合型器件，然后用他們開(kāi)發(fā)的方法將復(fù)合型器件做成較小的陣列，再通過(guò)壓力對(duì)電流或者熒光產(chǎn)生的影響，做相關(guān)的檢測(cè)?！澳壳斑€在實(shí)驗(yàn)室階段，還沒(méi)有把它器件化。下一步是想將它器件化，最終的目標(biāo)當(dāng)然是實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，做出能在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用的產(chǎn)品?！苯栌顚?duì)未來(lái)充滿(mǎn)了信心。

育人

姜翔宇成為一名大學(xué)教師已滿(mǎn)3年，對(duì)如何更好地教書(shū)育人，他在慢慢摸索。他記得江雷院士是如何帶學(xué)生的，“有一次他教育我說(shuō)，你不要覺(jué)得我老罵你，不罵學(xué)生，因?yàn)閷W(xué)生都是可以帶出來(lái)的，如果學(xué)生不好，通常是你帶得有問(wèn)題，所以我一定只罵你，不會(huì)去罵學(xué)生。”姜翔宇十分認(rèn)同江雷院士的觀點(diǎn)，他能體會(huì)到學(xué)生在剛上研究生的時(shí)候，對(duì)科研并不了解，會(huì)迷茫，需要有人引導(dǎo)。

在引導(dǎo)的過(guò)程中，作為老師一定要考慮教學(xué)的方式有沒(méi)有問(wèn)題。“因?yàn)橛械膶W(xué)生一點(diǎn)就通，有的學(xué)生思路慢一點(diǎn)，這個(gè)時(shí)候就需要老師來(lái)調(diào)整教學(xué)的方式，而不是去埋怨學(xué)生?！泵鎸?duì)現(xiàn)在的學(xué)生，姜翔宇清楚地認(rèn)識(shí)到，學(xué)生的視野開(kāi)闊，想法很多，作為老師，他主要的任務(wù)是把握大的思想和方向不跑偏，其他的都以鼓勵(lì)為主，只要有想法就大膽去試，給學(xué)生提供試錯(cuò)的機(jī)會(huì)。

姜翔宇尤其鼓勵(lì)學(xué)生向權(quán)威期刊投稿，他認(rèn)為，不以文章論英雄，但一定要去投稿。因?yàn)橥陡逄峁┝艘淮螌氋F的機(jī)會(huì)，讓領(lǐng)域內(nèi)的專(zhuān)家審讀文章，并給出意見(jiàn)，這些意見(jiàn)往往都是非常重要的，會(huì)讓學(xué)生意識(shí)到文章存在哪些問(wèn)題，得到相應(yīng)的提升。

不僅如此，姜翔宇在必要的科研指導(dǎo)以外，每周都會(huì)與學(xué)生溝通一到兩次關(guān)于生活、思想等方面遇到的問(wèn)題，了解他們的實(shí)際困難和思想包袱，及時(shí)地為他們答疑解惑，讓他們可以放下負(fù)擔(dān)，專(zhuān)心科研工作，并定期組織課題組內(nèi)的討論活動(dòng)，不僅僅是科研方面的探討，也包括興趣愛(ài)好、家庭生活等各方面的溝通與交流。

面對(duì)未來(lái)，姜翔宇清楚地感受到觸覺(jué)傳感器的無(wú)窮潛力，所以他將在觸覺(jué)傳感領(lǐng)域持續(xù)深耕?！拔覉?jiān)持做傳感器已經(jīng)快10年了，自認(rèn)為還算是比較能堅(jiān)持的人，希望在下一個(gè)10年，做出新的更好的成果?！苯栌罱o未來(lái)的自己，定下了目標(biāo)。