宋思揚(yáng)：精“移”求精

宋思揚(yáng)

納米級(jí)精度

當(dāng)站在距墻壁三五米左右的位置，想要手持激光筆瞄準(zhǔn)落在墻上的一只小飛蟲(chóng)時(shí)，大家會(huì)發(fā)現(xiàn)，雖然距離并不遠(yuǎn)，但只憑借人手的控制，要讓光點(diǎn)精準(zhǔn)地落在小飛蟲(chóng)身上，是幾乎不可能的。那如果再要求光點(diǎn)隨著小飛蟲(chóng)的快速移動(dòng)而移動(dòng)呢？

讀博期間，我和團(tuán)隊(duì)一起研發(fā)了一個(gè)水杯大小的器件——高性能壓電驅(qū)動(dòng)器。所謂驅(qū)動(dòng)器就是一個(gè)能按要求驅(qū)動(dòng)物體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的器件，我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷娑茧x不開(kāi)驅(qū)動(dòng)器，大到工業(yè)機(jī)器人，小到智能家居中自動(dòng)升降的窗簾等。

我們研發(fā)的驅(qū)動(dòng)器有點(diǎn)兒特殊。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器大都是電磁驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，精度最高可達(dá)到一根頭發(fā)絲的百分之一。我們則采用壓電材料研制驅(qū)動(dòng)器，壓電材料可以因機(jī)械變形產(chǎn)生電場(chǎng)，反之，也可以因電場(chǎng)作用產(chǎn)生機(jī)械變形，我們正是利用了逆壓電效應(yīng)，也就是“因電場(chǎng)作用產(chǎn)生機(jī)械變形”的過(guò)程，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能或機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而控制物體實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)而微小的位移。壓電驅(qū)動(dòng)器的精度直接跨進(jìn)了幾個(gè)納米的量級(jí)，也就是一根頭發(fā)絲直徑的萬(wàn)分之一。壓電驅(qū)動(dòng)器不僅可以輕松地做到文章開(kāi)頭提到的小實(shí)驗(yàn)中的要求，而且它在兩個(gè)固定點(diǎn)間來(lái)回精準(zhǔn)跳躍的速度可以達(dá)到每秒鐘上千次。實(shí)驗(yàn)演示中，人的肉眼看到的只是一條閃亮的光帶，根本無(wú)法識(shí)別和捕捉到它跳躍的動(dòng)作。

不僅如此，它還是名副其實(shí)的“小身材、大能量”。它只有一個(gè)水杯大小，一只手就可以完全握住，但它卻能四兩撥“千”斤，有著可以把一個(gè)成年人抬起來(lái)的驅(qū)動(dòng)力。

“捕捉”上千公里外飛速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星

研發(fā)這個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)工作是在5年前我上大三時(shí)開(kāi)始的。那時(shí)，借助學(xué)校科研訓(xùn)練的機(jī)會(huì)，我接觸到了導(dǎo)師，逐步走近了壓電驅(qū)動(dòng)器的研究方向。當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室良好的平臺(tái)與科研氛圍吸引了我，看著師兄師姐們用巧妙的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，利用壓電材料實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)控制的功能任務(wù)，我也在腦海中形成了一些想法。在老師的指引下，我很快將這些想法推進(jìn)成可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的器件模型，做了第一次科研創(chuàng)新嘗試，也在本科階段申請(qǐng)了兩項(xiàng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利。

讀碩士二年級(jí)時(shí)，研究中遇到的新問(wèn)題再次引發(fā)了我的思考，于是我決定轉(zhuǎn)博，將這些問(wèn)題進(jìn)一步探究?，F(xiàn)在，博士研究接近尾聲的我，正努力把相關(guān)的研究成果做成衛(wèi)星上應(yīng)用的可靠產(chǎn)品。

再回到開(kāi)頭的小實(shí)驗(yàn)，試想，手持激光筆的我們，不再局限在三五平米的空間里，而是置身浩瀚的宇宙中，想要指向上千公里外，一顆飛行速度超過(guò)每秒10千米的衛(wèi)星，那又有多難？

這并不是一個(gè)單純的想象，而是現(xiàn)實(shí)需要。我們國(guó)家正在大力發(fā)展天際互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)，需要光束搭載著信息去完成傳遞，就像我們?cè)诘孛媸褂霉饫|一樣，要在衛(wèi)星之間，用光束編織成一張連接上百顆衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)。

2018年，我們終于有機(jī)會(huì)在實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上使用我們的驅(qū)動(dòng)器，幫助這顆衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中給遠(yuǎn)方的星星拍攝一張清晰的照片。雖然聽(tīng)起來(lái)，拍張照片沒(méi)什么了不起，但實(shí)際上，它的拍攝過(guò)程就好像我們坐在飛馳的汽車(chē)上，拿著相機(jī)去拍攝月亮一樣。這需要在晚上，拿著相機(jī)，一動(dòng)不動(dòng)，精準(zhǔn)地指向我們想要拍攝的目標(biāo)，并進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的曝光。要知道，我們平時(shí)拍攝一張照片，按下快門(mén)那一刻，曝光只不過(guò)是“咔嚓”一聲的瞬間，而拍攝一張數(shù)十、數(shù)百光年外宇宙星系的照片，可能需要至少連續(xù)幾分鐘的曝光，這就需要做到又穩(wěn)又準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制。恰好，我們所研發(fā)的壓電驅(qū)動(dòng)器“特長(zhǎng)”正在于此——可以在高速運(yùn)動(dòng)中，穩(wěn)、準(zhǔn)、快地定位。我們?yōu)樾l(wèi)星所研發(fā)驅(qū)動(dòng)器，相當(dāng)于為重量、體積控制嚴(yán)格的衛(wèi)星，搭配了“吃得少，干活多”的小伙計(jì)，可以讓它去完成之前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高精度操控了。

更多應(yīng)用，更高品質(zhì)，更低成本

實(shí)際上，能施展壓電驅(qū)動(dòng)器特長(zhǎng)的場(chǎng)所不只是在天上。未來(lái)，這種高精度的控制技術(shù)也許還可以運(yùn)用在先進(jìn)制造中，提升機(jī)器的運(yùn)動(dòng)控制精度。比如，使原本可以在雞蛋殼上面刻字的能力，提升到可以在頭發(fā)絲上面刻字。若是應(yīng)用在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，比如神經(jīng)外科的手術(shù)中，可以為給纖細(xì)的神經(jīng)進(jìn)行手術(shù)操作的器械提供更高的精度保障。比如用在掃描電鏡等儀器設(shè)備中，幫助我們更加清晰地洞察微觀世界。比如應(yīng)用在先進(jìn)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中，幫助我們從地面上穿過(guò)大氣層，清晰地觀察浩瀚星空。

壓電驅(qū)動(dòng)器并不是我們的獨(dú)創(chuàng)，國(guó)外也有不少機(jī)構(gòu)和學(xué)者在做相關(guān)方面的科研。大家在壓電驅(qū)動(dòng)器這條賽道上不斷嘗試突破，以尋求更快的速度、更高的精度、更好的性能，放眼最終的應(yīng)用。

研發(fā)高性能壓電驅(qū)動(dòng)器的過(guò)程并非一帆風(fēng)順。從目標(biāo)功能、結(jié)構(gòu)構(gòu)思開(kāi)始，我就和導(dǎo)師徐明龍教授一次次地商討。我們凝練出我們研究的目標(biāo)有哪些，要實(shí)現(xiàn)的超越性指標(biāo)是什么。在保障了速度與精度的基礎(chǔ)上，我們還希望所研發(fā)的驅(qū)動(dòng)器具有更好的推重比，也就是要在比國(guó)外競(jìng)品更輕的重量?jī)?nèi)，去實(shí)現(xiàn)更大的推動(dòng)力。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)始，我逐步從器件結(jié)構(gòu)的模型建立方法入手，首先解決了驅(qū)動(dòng)過(guò)程中結(jié)構(gòu)耦合變形帶來(lái)的不利影響，完成了試驗(yàn)前的相關(guān)仿真研究。緊接著進(jìn)入到試驗(yàn)驗(yàn)證的階段，當(dāng)時(shí)恰逢那年西安最冷的那段時(shí)間，我們連續(xù)幾周每天都試驗(yàn)調(diào)試到一兩點(diǎn)。

工夫不負(fù)有心人，我們研發(fā)的高性能壓電驅(qū)動(dòng)器，在推重比的核心指標(biāo)上，甚至可以達(dá)到國(guó)外商業(yè)產(chǎn)品的兩倍以上?，F(xiàn)在我們的研究成果已經(jīng)批量地走出實(shí)驗(yàn)室。

責(zé)任編輯：馬春梅