癲狂科研啟迪心

沈海軍，同濟(jì)大學(xué)航空與力學(xué)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，飛行器工程研究所所長。國際刊物《The Open Mechanical Engineering Journal》編委，教育部教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委員。主持或參加過國家自然基金、航空科學(xué)基金等多個(gè)項(xiàng)目；已發(fā)表論文200余篇；出版有《納米科技概論》、《新型碳納米材料-碳富勒烯》、《近空間飛行器》等著作。

掐指算來，我在納米力學(xué)和飛機(jī)設(shè)計(jì)兩個(gè)跨距極大的領(lǐng)域里一晃干了十余年。十幾年里，我指導(dǎo)的研究生像走馬燈似的，來了一撥，又走了一撥。帶著這幫孩子，雖說在傳統(tǒng)科研“正道”上沒有取得什么巨大影響的成果，“旁門左道”的事情卻干了不少。這些事情聽起來有些匪夷所思，有點(diǎn)癲狂，“跑偏”了科研，但仔細(xì)想來，卻能夠啟迪心智，給枯燥的傳統(tǒng)科研生活平添了許多樂趣。

納米藝術(shù)的誕生

上世紀(jì)末，納米科技興起。2003年前后，我開始涉獵納米力學(xué)研究，并指導(dǎo)碩士研究生。當(dāng)時(shí)，我的主攻方向納米碳管的力學(xué)特性，使用的是分子模擬軟件。2004年的一天，一名研究生在做納米碳管分子模擬時(shí)，我們被電腦屏幕上的神奇圖像驚呆了：納米碳管上的每個(gè)原子上的能量梯度交織在一起，變幻無窮，構(gòu)成了絢麗的圖案，宛如一幅幅抽象的藝術(shù)作品。

于是，我們立馬搜索關(guān)鍵詞“納米藝術(shù)”“nanoart”，令人遺憾的是，當(dāng)時(shí)中文網(wǎng)絡(luò)信息幾乎沒有，而相關(guān)英文的信息條數(shù)也僅有區(qū)區(qū)數(shù)百條。直覺告我們，一門嶄新的交叉學(xué)科——納米藝術(shù)即將誕生。也就是那一天，我們在網(wǎng)上注冊并建立了全國第一家納米藝術(shù)網(wǎng)站，網(wǎng)站首頁橫幅的標(biāo)題為“納米藝術(shù)：納米技術(shù)與藝術(shù)的完美結(jié)合”。網(wǎng)站建立后，課題組同時(shí)也多了一項(xiàng)任務(wù)，那就是但凡有在網(wǎng)上發(fā)現(xiàn)微納米級(jí)藝術(shù)相關(guān)的資訊，如顯微鏡照片、分子器件模型，也包括課題組分子模擬、微觀實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的藝術(shù)圖像，統(tǒng)統(tǒng)上傳到納米藝術(shù)網(wǎng)。

就這樣，日復(fù)一日，年復(fù)一年。到了2008年，納米藝術(shù)網(wǎng)居然收集了數(shù)千幅納米美圖，其中還包括課題組創(chuàng)作的《納米五星紅旗》、《沖殺》等作品；期間，我也陸續(xù)發(fā)表了10余篇納米藝術(shù)的相關(guān)論文。2008年夏，我又和幾個(gè)研究生一道，開始著手對收集的納米藝術(shù)作品進(jìn)行梳理，撰寫國內(nèi)外第一本納米藝術(shù)專著——《納米藝術(shù)概論》。2010年，課題組和同濟(jì)大學(xué)的知名教授時(shí)東陸教授一起，在蘇州成功舉辦了迄今為止國內(nèi)最大的納米藝術(shù)科普展。那時(shí)候，《納米藝術(shù)概論》一書也剛好完稿、正式出版，并在那次納米藝術(shù)展開幕式上簽售。

納米分子槍

2004年，課題組里曾發(fā)生了一件值得一提的事情，那就是我和一位研究生設(shè)計(jì)了一款“分子槍”。當(dāng)時(shí)，一位研究生被安排做納米碳管的填裝研究方向。具體來說，就是在電腦上模擬納米碳管內(nèi)填充富勒烯、DNA鏈、美沙酮等小分子，進(jìn)而探討納米碳管中小分子的定向反應(yīng)和傳輸特性。

有一天，一件有趣的事情發(fā)生了。這位同學(xué)在納米碳管中加裝螺旋DNA直鏈和C60小球分子；當(dāng)DNA“軸”轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，DNA螺距間內(nèi)的C60分子竟然會(huì)在納米管內(nèi)移動(dòng)，從一端運(yùn)輸?shù)搅硪欢恕＿@正如現(xiàn)實(shí)生活中的絞肉機(jī)：肉從一端加入，螺旋軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，肉餡就會(huì)沿著螺桿軸從另一端輸出。于是，一個(gè)奇特的想法在他腦海中閃過：如果納米碳管內(nèi)的DNA軸轉(zhuǎn)得足夠快，C60分子不就可以像子彈一樣，從碳管一端射出。這不就是一款貨真價(jià)實(shí)可以發(fā)射分子“子彈”的槍嗎？

經(jīng)過討論后，我們立馬投入“分子槍”的設(shè)計(jì)。省略過程，直接說結(jié)果吧?！胺肿訕尅钡淖罱K設(shè)計(jì)采用了NANOXPLORER分子器件設(shè)計(jì)軟件；“槍”管為一直徑約2納米、長25納米的粗納米碳管；“子彈”為C60球形分子；“子彈”填裝口為一段0.9納米直徑的細(xì)納米碳管；“槍芯”為一段長約20納米的DNA“螺桿”，由端部脈沖雙激光束驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，可將填充口填充的C60“子彈”從槍口發(fā)射出去。

該“分子槍”設(shè)計(jì)我們前后花了大約1個(gè)月的時(shí)間?，F(xiàn)在看來，設(shè)計(jì)它也許僅僅是出于一時(shí)興起，但在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，我們對分子模擬的原子力場、相應(yīng)的分子設(shè)計(jì)軟件使用，由陌生變得嫻熟，開闊了眼界，提高了能力。

一只蒼蠅有多大勁兒？

2013年8月，光明日報(bào)等諸多媒體報(bào)道了我們課題組的蟬動(dòng)力飛機(jī)成果，轟動(dòng)一時(shí)。然而，此項(xiàng)工作卻源自于我的一位研究生對國外昆蟲飛機(jī)研究的調(diào)研和追蹤。

近年來，媒體上報(bào)道了不少歐美國家關(guān)于蒼蠅、蚊子等昆蟲飛機(jī)在未來戰(zhàn)場上的應(yīng)用，簡直吹得是神乎其神。為此，一位研一的學(xué)生被我安排調(diào)研該方向的研究現(xiàn)狀。數(shù)日下來，學(xué)生沮喪地反映，只查到了一些泛泛報(bào)道，實(shí)質(zhì)性的技術(shù)細(xì)節(jié)一無所獲。冷靜下來后，我們又展開了一次深入的討論。最終，討論結(jié)果落到了“一只蒼蠅飛行時(shí)的動(dòng)力到底有多大”的問題上。因?yàn)?，一只昆蟲要戰(zhàn)場上取得應(yīng)用，要收集情報(bào)，就得加裝攝像圖、竊聽器等情報(bào)采集裝置，而這些設(shè)備要工作得有電源供電。顯然，只有知道昆蟲的飛行動(dòng)力有多大，才能根據(jù)“推重比”（推力和重量之比）來反推昆蟲的負(fù)載能力，進(jìn)而估算出情報(bào)采集設(shè)備（含電源）的重量與大小。

一只蒼蠅飛行時(shí)到底有多大動(dòng)力？問題就擺在了眼前。苦思冥想后，最終我們發(fā)明了一套簡單實(shí)用的裝置和測試方法：在木底座上豎起一根碳纖維桿；將一只活蒼蠅通過一條細(xì)線懸于碳桿頂端；驅(qū)趕蒼蠅時(shí)，蒼蠅會(huì)飛開并拉彎碳桿，通過攝像機(jī)記錄碳桿的彎曲擾度，并結(jié)合碳桿的剛度，就可得到蒼蠅的飛行拉力。經(jīng)過試驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)，蒼蠅飛行的拉力可達(dá)到0.1克，其推重比驚人地高，約為2.5，為美國最先進(jìn)的第四代戰(zhàn)機(jī)F22引擎的2倍。

盡管如此，0.1克量級(jí)的重量對于當(dāng)下的情報(bào)采集設(shè)備技術(shù)來說，實(shí)在是太苛刻了。于是，我們果斷放棄蒼蠅、蚊子等小昆蟲，將目光轉(zhuǎn)向體型較大的蟬。這一次，工作進(jìn)展得比較順利。2013年8月，課題組蟬地面行為遙控實(shí)驗(yàn)完成，緊接著研制成功了一枚蟬動(dòng)力遙控微型飛機(jī)樣機(jī)。目前，該蟬動(dòng)力遙控微型飛機(jī)已經(jīng)獲得了國家專利。

這里，還有一件事要交代。我們曾自制了專門的籠子滿世界抓蒼蠅，辛辛苦苦抓來的蒼蠅死了扔掉太可惜。我們的研究生好有才，竟然用這些蒼蠅的尸體，采用擬人的手法制作了一套惟妙惟肖的3D連環(huán)畫——《蒼蠅飛機(jī)男的一生》。后來，該連環(huán)畫還上了《勞動(dòng)報(bào)》呢。

微型仿飛魚滑翔機(jī)

自然界中除了禽類、昆蟲以外，還有許多會(huì)飛行的動(dòng)物，相比之下，人類的航空史僅有百十年。人類要自由翱翔，有許多地方需要向動(dòng)物學(xué)習(xí)。為躲避鯊魚等其他魚類捕食，飛魚經(jīng)常會(huì)躍出水面，在空中滑翔。資料顯示，一些飛魚的跳躍高度可達(dá)一米多，滑翔距離甚至可以超過10米，具有極其優(yōu)越的“飛行”性能。

2014年，借助三維打印技術(shù)，我和一位研究生針對飛魚開展了計(jì)算機(jī)建模、風(fēng)洞試驗(yàn)、飛魚飛機(jī)制作等一系列仿生研究工作，并成功試飛了一架飛魚仿生微型電動(dòng)自由飛滑翔機(jī)。

這件事說起來容易，但做起來卻并不簡單。要仿生飛魚，首先要建立飛魚的立體模型。為此，我們搜索遍了網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果只發(fā)現(xiàn)若干飛魚的圖片和文獻(xiàn)，以及一些其他常見魚種如鯉魚的三維CAD幾何模型。我們也跑了多家上海的大型水產(chǎn)市場，終究沒有發(fā)現(xiàn)飛魚的身影。

怎么辦？最后，我們想出了一個(gè)迫不得已的辦法：那就是在已有鯉魚三維CAD模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，整出一個(gè)飛魚的三維模型來。按照這樣的思路，我們從網(wǎng)上下載了鯉魚的三維數(shù)字模型，從市場上還專門買了兩條鯉魚，通過對比、測量，確認(rèn)了鯉魚三維數(shù)字模型的正確性。接著，參照飛魚的照片對鯉魚數(shù)字模型進(jìn)行“修形”和“整容”，即在電腦上給魚兒瘦身、拉長胸鰭，削尖尾鰭……經(jīng)過一通“折騰”，這位研究生終于做出了飛魚的三維幾何模型。

建模完成后，通過課題組的三維打印機(jī)直接打印出了飛魚的三維模型實(shí)體；緊接著，將該三維飛魚模型實(shí)體放置于學(xué)院的風(fēng)洞，進(jìn)行吹風(fēng)試驗(yàn)，進(jìn)而獲得了飛魚滑翔中的空氣動(dòng)力學(xué)特性數(shù)據(jù)。直接將動(dòng)物三維打印出來，并進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，這在國內(nèi)外尚無先例。風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果顯示，在很大迎角范圍內(nèi)，飛魚的升阻比（升力和阻力的比值）都能夠維持在5～6之間，這是普通室內(nèi)微小飛機(jī)升阻比的上限。這說明飛魚具有極佳的氣動(dòng)性能。

有了飛魚的氣動(dòng)性能數(shù)據(jù)，用泡沫材質(zhì)按比例制作出放大的飛魚，再加裝實(shí)驗(yàn)室里先前的微小飛機(jī)電機(jī)、鋰電池等電子設(shè)備，一架微型飛魚仿生電動(dòng)滑翔機(jī)便制作完成。2014年5月，課題組對該飛魚仿生微型電動(dòng)滑翔機(jī)進(jìn)行了試飛?；铏C(jī)從頭頂飛過，姿態(tài)平穩(wěn)，飛行效果良好。

責(zé)任編輯：曹曉晨