科研報國 矢志初心

祝傳海

成熟期的蒲公英種子，會隨風(fēng)飄到幾十公里甚至上百公里外落地生根。如果將這些種子換成微型傳感器會有怎樣的有趣應(yīng)用呢？

2021年9月22日，華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院教授厲侃與美國西北大學(xué)約翰·A·羅杰斯（John?A.Rogers）、黃永剛課題組等多所科研機構(gòu)科學(xué)家的合作研究成果——仿風(fēng)傳種子三維微電子飛行器相關(guān)論文，在《自然》以封面文章的形式發(fā)表。作為文章的共同第一作者，厲侃告訴記者，這一成果以風(fēng)傳種子為靈感，設(shè)計了一類可隨風(fēng)飛行的被動驅(qū)動微飛行器，能夠?qū)崿F(xiàn)無主動驅(qū)動的長時間、遠距離飛行，是迄今為止人工制造出的最小飛行器之一。更為有趣的是，這些“種子飛行器”還能搭載復(fù)雜的集成電路，為未來的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供更好的空間范圍，對環(huán)境、生態(tài)研究具有重要的意義。

就在不久前，厲侃與黃永安團隊開展飛行器柔性智能蒙皮測量技術(shù)（iFlexSense）研究也取得突破性進展。他們首創(chuàng)了大面積柔性智能蒙皮傳感/測量系統(tǒng)、大規(guī)模多元數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析與顯示系統(tǒng)。雖然剛回國沒多久，但是厲侃的研究沒有絲毫停步，他希望回國后，與團隊成員一起攜手開展新一代先進飛行器智能感知研究，并進一步推動我國三維柔性結(jié)構(gòu)與可延展電子的科研探索進程。

刻在骨子里的家國情懷

彬彬有禮，斯文紳士——這是厲侃給記者的第一印象。采訪之后，“別人家的孩子”“學(xué)霸”“才俊”……這些關(guān)鍵詞又接連跳出來。

厲侃“開掛一樣的人生”從小時候就已經(jīng)開始，高中憑借物理競賽成績直接保送清華，本科畢業(yè)于清華大學(xué)錢學(xué)森力學(xué)班，博士就讀于美國西北大學(xué)，師從世界力學(xué)大師黃永剛院士，博士后在劍橋大學(xué)……青年科學(xué)家、海外優(yōu)青、教授、博士生導(dǎo)師，他收獲這些令人欽羨的成績時才28歲。

1993年，厲侃出生于山東省日照市，父母都是醫(yī)護工作者。中學(xué)時，受班主任的影響，他對物理競賽產(chǎn)生了濃厚的興趣，但當(dāng)時學(xué)校參加物理競賽的氛圍并不濃烈。初三到高一，他開啟了自學(xué)階段。“很幸運，我在高二時遇到了一位非常優(yōu)秀的物理競賽老師，就開始跟著他學(xué)了一年，在他的引導(dǎo)下，我走上了正軌?！眳栙┱f，當(dāng)時，學(xué)校注意到他的興趣之后，專門劃出一間教室，讓他在不上課時來這里備賽。學(xué)校的資源原本很緊張，卻能在未來不確定的情況下為學(xué)生創(chuàng)造學(xué)習(xí)條件，這令他十分感動。最終，厲侃不負眾望，在物理競賽中取得優(yōu)異成績，并被保送進入清華大學(xué)。

在清華大學(xué)，厲侃起初選擇在物理系的數(shù)理基科班學(xué)習(xí)。“軍訓(xùn)以后，一次機緣巧合，同學(xué)拉著我參加錢學(xué)森（工程力學(xué)）班的二次招生考試。”厲侃再次“幸運”地考上錢學(xué)森力學(xué)班，在清華大學(xué)打下的堅實基礎(chǔ)，為他的科研鋪平道路。

臨近本科畢業(yè)，厲侃通過學(xué)校公派項目來到美國西北大學(xué)做交流學(xué)生。幸運再次垂青有準備之人。在這里，他第一次如此接近國際頂尖學(xué)術(shù)大?！獧C械工程系教授黃永剛院士。聰明好學(xué)的厲侃很快就得到了黃永剛院士的認可，而且還投其門下，攻讀博士學(xué)位。

金麟豈是池中物，一遇風(fēng)云便化龍。得到頂尖大師的指導(dǎo)，厲侃的科研水平竿頭直上。留學(xué)期間，他不僅獲得國家優(yōu)秀自費留學(xué)生獎金，還發(fā)表了許多具有國際影響力的論文。2017年，厲侃在《自然·通訊》上發(fā)表題為“柔性電子器件的自組裝三維網(wǎng)絡(luò)設(shè)計”的論文，文章闡述了如何用“纏繞的卷曲藤蔓”連接傳感器和電路。這也是他頗為滿意的一篇論文?！耙酝娜嵝钥裳诱闺娮右话慊诙S設(shè)計，比如蛇形導(dǎo)線、分型導(dǎo)線等，通過面內(nèi)設(shè)計來增加器件的可延展性?！眳栙└嬖V記者，這些二維設(shè)計只有在無封裝情況下，才能實現(xiàn)超高的延展性。但在實際使用情境中，這些器件都需要增加一些封裝予以保護，只有這樣才能防止器件在實際應(yīng)用時受到外界損傷，同時也避免植入式器件的有毒部分給人體組織造成毒害。

但是加了封裝材料以后，此前二維設(shè)計的可延展性會變低。因此，厲侃采用三維螺旋導(dǎo)線設(shè)計，去替換以往的二維蛇形導(dǎo)線。最終，螺旋線在封裝狀態(tài)下，依然可達到131%以上的可延展性。可以說，這項設(shè)計就像一個纏繞的卷曲藤蔓，可以連接傳感器、電路和無線電。加之電子電路問題和機械問題也被考慮在內(nèi)，物理布局將得到充分優(yōu)化，比如傳感器的放置、電線的長度，都會被設(shè)計得盡可能減少信號干擾和噪聲。

從這篇論文開始，厲侃在三維柔性結(jié)構(gòu)與可延展電子研究領(lǐng)域所向披靡，逐漸成長為一名優(yōu)秀的青年科學(xué)家。2019年博士畢業(yè)后，他來到劍橋大學(xué)做博士后研究，方向是晶格材料的力學(xué)分析與設(shè)計，師從英國皇家科學(xué)院院士、國際理論與應(yīng)用力學(xué)聯(lián)合會主席諾曼·弗萊克。

在不同的國家，跟隨領(lǐng)域內(nèi)大師學(xué)習(xí)，開闊了厲侃的眼界，他像海綿一樣瘋狂地吸收科研的養(yǎng)分?！霸谟宜佑|的課題組對基礎(chǔ)理論研究都極為重視，節(jié)奏也比較慢，這與我在美國感受到的研究氛圍是不同的。”厲侃說，“在我去英國之前，黃永剛老師很不理解，他認為我在美國也可以找到很好的職位。但是我希望我做的這一切，可以在日后更好地回饋、報效祖國。出國就是為了更好地回國，這可能是刻在骨子里的情懷。”他與愛人為幼子取名“軒轅”，一則音諧母姓“袁”，二是寓意中華民族，希望孩子也能銘記中華民族偉大復(fù)興的中國夢。

在很多人看來，厲侃的人生可以用“一帆風(fēng)順”來形容。然而，他自己卻說，人生沒有一帆風(fēng)順，科研也不例外。作為一名科研工作者，每個人都會遇到困難和瓶頸，甚至?xí)a(chǎn)生自我懷疑?！拔以谧x博的時候，因為文章的數(shù)量和引用量常常會陷入自我懷疑和自我否定。我到底能不能做好科研？會不會做科研？以后適不適合走科研這條路？”厲侃說，直到參加海外優(yōu)秀自費留學(xué)生獎學(xué)金的頒獎典禮，遇到許多優(yōu)秀的青年科研工作者，通過交流才發(fā)現(xiàn)，很多人都經(jīng)歷了自我否定的過程，但堅持做好科研，是所有科研人刻在骨子里的情懷，認定方向，便只顧風(fēng)雨兼程。

除了研究的瓶頸之外，其實最大困難是心態(tài)問題?！八裕覀円欢ㄒ牌叫膽B(tài)，堅持自己的研究方向，一步一個腳印，踏踏實實地去做自己的工作。唯有堅持，才能有撥開云霧見青天的時刻?！?/p>

奇妙的三維柔性電子之路

厲侃多年來的科研成果中，“三維”是最高頻率的一個詞。而這個研究方向也是隨著科研的不斷深入才逐步確定的。到如今，他已經(jīng)與三維柔性結(jié)構(gòu)與可延展電子難舍難分了。2018年，他更是通過把工程薄膜熱電材料集成到柔性三維結(jié)構(gòu)中，解決了傳統(tǒng)熱電器件可延展性差的難題。

近幾年來，具有能量收集功能的微型半導(dǎo)體設(shè)備為可穿戴技術(shù)和傳感器鋪平了道路。盡管熱電系統(tǒng)的表現(xiàn)十分可觀，但隨著設(shè)備小型化趨勢的加速，越來越難實現(xiàn)在小型器件的冷熱兩端保持較大的溫差。

傳統(tǒng)熱電器件一般基于較厚的固態(tài)熱電材料，這類材料的熱電轉(zhuǎn)化效率比較高，但是可延展性非常差。而新型薄膜熱電材料雖然制備方便、熱電轉(zhuǎn)換效率較高，但厚度方向非常薄、熱阻非常低，在實際應(yīng)用中難以進行熱阻匹配以達到最優(yōu)熱電功率輸出。例如，如果把它單層貼在皮膚上，它的上下表面很快就會接近皮膚溫度，這時就很難形成上下較大溫差并加以利用。

研究中，厲侃發(fā)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)和薄膜熱電材料有著完美的契合度。他采用熱電材料單晶硅的微條帶，構(gòu)建出三維熱電線圈互連陣列?；诖?，他提出把二維薄膜材料設(shè)計成三維線圈的形式，這樣就能增加它在冷端和熱端的溫差，不僅能有效匹配熱阻、增加熱電功率的轉(zhuǎn)換效率，還能為這類熱電器件引入柔性的特點。在這項工作中，厲侃與合作者采用單晶硅制備了熱電螺旋線圈結(jié)構(gòu)——在蛇形結(jié)構(gòu)中加入P型硅帶和N型硅帶，還給系統(tǒng)頂部和底部都封裝上聚合物涂層，以機械方式引導(dǎo)組件通過壓縮屈曲的方法，即可讓二維蛇形結(jié)構(gòu)生成三維螺旋結(jié)構(gòu)。

如此一來，系統(tǒng)就可從二維模式轉(zhuǎn)為三維模式。在需要器件進行大變形拉伸和彎曲的應(yīng)用中，三維線圈能提供充分的機械柔性和穩(wěn)定性。這種特性使得系統(tǒng)非常適合在人體手腕或腳踝上應(yīng)用，利用人體與空氣間的溫差為可穿戴電子器件供能。

事實上，這項研究成果和厲侃的“種子飛行器”也有關(guān)聯(lián)，都屬于三維結(jié)構(gòu)應(yīng)用類成果。以在熱電領(lǐng)域的應(yīng)用為例，三維結(jié)構(gòu)往往具備二維平面結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)的特殊性能，“種子飛行器”所展現(xiàn)的是三維結(jié)構(gòu)在飛行器設(shè)計中能在流固耦合領(lǐng)域產(chǎn)生特殊效果。

2019年7月，厲侃以“先進材料的屈曲和扭曲成可變形的三維細觀結(jié)構(gòu)”為題在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表論文。這也是一次關(guān)于三維結(jié)構(gòu)的探索，不僅研究了三維結(jié)構(gòu)的用途，還探討了是否有更好、更有趣的三維結(jié)構(gòu)，以及是否有制造三維結(jié)構(gòu)的新方法。

事實上，此前的三維組裝方案是在均勻的基底上去形成三維結(jié)構(gòu)，而厲侃的這項研究關(guān)注的是能否將均勻基底替換成一些具有剪紙圖案的基底，從而去形成新的一類具有局部扭轉(zhuǎn)的三維結(jié)構(gòu)。

剪紙圖案給基底帶來的影響是在拉伸過程中，一個均勻基底在上面的點，只有一些平移變形而沒有旋轉(zhuǎn)變形。但如果采用剪紙材料的基底，那么在拉伸和釋放的過程中，上面一些點會旋轉(zhuǎn)，這會使得基底上的一些三維結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外的扭轉(zhuǎn)。這種扭轉(zhuǎn)可讓上面的三維結(jié)構(gòu)在三維成型的基礎(chǔ)上進一步變形，且具備一定的應(yīng)用前景。

2021年年底，結(jié)束博士后研究之后，厲侃全職回國，入職華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院擔(dān)任教授?！叭A中科技大學(xué)黃永安教授課題組是國內(nèi)柔性電子最好的團隊之一，其實驗室柔性電子微納制備技術(shù)甚至在全球都處于領(lǐng)先地位，這里能讓我的科研更有的放矢?！眳栙└嬖V記者。

“在柔性電子領(lǐng)域，現(xiàn)在國外和國內(nèi)已經(jīng)不能簡單評價誰更先進，因為無論實驗條件、經(jīng)費支持力度還是研究團隊水平等都沒有太大差異，有的僅僅是區(qū)域文化上的區(qū)別?！眳栙┱f，過去我國強調(diào)科研的應(yīng)用導(dǎo)向和需求導(dǎo)向，但現(xiàn)在也開始重視基礎(chǔ)理論研究，有些學(xué)校甚至允許老師10年不發(fā)文章、專注基礎(chǔ)理論研究。

值得一提的是，就在不久前，厲侃與黃永安教授團隊合作，針對復(fù)雜曲面多功能電路的共形制造關(guān)鍵難題進行攻關(guān)，取得理論與技術(shù)進展，提出了曲面高精密電路的自愈合剪紙拼接策略，實現(xiàn)了柔性傳感系統(tǒng)在復(fù)雜曲面上的共形組裝與應(yīng)用，可以極大推動柔性智能蒙皮走向航空航天的實際應(yīng)用。

“無論在國內(nèi)還是國際上，我目前的研究都是一個全新的領(lǐng)域，希望能夠通過自己和團隊的共同努力，將這項研究做成一個熱點，讓我國的原始創(chuàng)新領(lǐng)先國際?！眳栙└嬖V記者，回國后，他也在組建自己的研究團隊，希望可以幫助每一個團隊成員去實現(xiàn)他們想完成的東西，也希望團隊成員既有單兵作戰(zhàn)的實力，又有團結(jié)協(xié)作的能力。他說：“當(dāng)然，這需要時間來磨合，我會朝這方面努力?！?/p>

將甘為人梯的精神傳遞

如今，全職回國的厲侃有了多重身份。

他是一位科研工作者，嚴謹、上進、心懷夢想，期望在自己的研究領(lǐng)域做出輝煌的成果;他是一個新手爸爸，溫柔、細膩，期待給年幼的孩子最好的寵愛;當(dāng)然，他也像自己曾經(jīng)崇拜的黃永剛院士一樣，成了一名老師。他感恩自己在人生的每個階段都遇到了最好的老師，也時刻銘記著恩師的教誨和無私付出，并希望將這種甘為人梯的精神傳遞給自己的學(xué)生。

沒有見過伊利諾伊州的日出，不足以談勤奮。回憶在美國讀博的過往，厲侃依然清晰記得，黃永剛院士凌晨3點和他一起逐字逐句修改論文的情形?！包S永剛院士有一個特點，就是每天起床非常早，一般是凌晨3點就起來。有時候他會早起和我們一起改論文，我就不得不定一個凌晨3點的鬧鐘。”厲侃說，黃永剛院士會投入非常多時間幫助學(xué)生，而不是僅僅給一個建議?！八囊蠛車栏瘢瑫蛔忠痪涞匦薷?，一點一滴地摳細節(jié)?！边@種方法看起來效率很低，但事實上是老師犧牲了自己的時間，手把手地傳授，讓學(xué)生能夠在最短的時間快速成長。

“師者，所以傳道受業(yè)解惑也?！眳栙┱f，當(dāng)一名教師，被學(xué)生們稱呼為“老師”，是責(zé)任，更是人生的修行。不過，在學(xué)生眼中，他更像一位“學(xué)長”——彬彬有禮、溫文爾雅，讓人沒有絲毫的壓迫感。但在科研上，他又非常嚴謹認真，像自己的導(dǎo)師一樣，對學(xué)生的要求異常嚴苛?！艾F(xiàn)在，我希望自己也可以手把手去教我的學(xué)生，就像老師當(dāng)初教我一樣?！彼麑⒔虒W(xué)與科研看作一個相輔相成、相互促進的過程，并且非常注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新的思維。

什么是創(chuàng)新？

“創(chuàng)新絕不是炒剩飯。別人做了一個工作，跟著風(fēng)去做，或者只是簡單做點改動、做點拓展，這絕不是創(chuàng)新。”厲侃認為，創(chuàng)新必須是全新的方法或技術(shù)，就拿柔性電子領(lǐng)域來說，近年來，我國把與柔性電子息息相關(guān)的新一代信息產(chǎn)業(yè)、先進材料、生物技術(shù)、可再生能源等列入國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。抓住這一絕佳的歷史性機遇，實現(xiàn)超常規(guī)、跨越式的開道超車，而不僅僅是在別人開辟的賽道上彎道超車，就必須大力推進柔性電子學(xué)科發(fā)展在關(guān)鍵領(lǐng)域和“卡脖子”的地方下大功夫，在前瞻性、戰(zhàn)略性領(lǐng)域打好主動仗，勇做新時代科技創(chuàng)新的排頭兵。

“做科研一定要有與時俱進的精神、革故鼎新的勇氣和堅韌不拔的定力，這是身為一名科研工作者必須具備的素質(zhì)?！睂τ谧约赫谂囵B(yǎng)的這些未來科研工作者，厲侃充滿信心和期待，也給出了自己的建議：

首先，要確定自己的科研興趣，要有內(nèi)驅(qū)力，而不是讓導(dǎo)師成天在后面拿著小鞭子抽打?！斑@是每一個立志做科研的人都要面對的問題，因為只有興趣才能讓你在面對枯燥、孤獨或者是嚴重的問題時能夠堅持下去，并驅(qū)動你不斷前進?！?/p>

第二，要不斷拓展自身能力，具有良好的學(xué)習(xí)能力。要學(xué)會從不同學(xué)科的交叉領(lǐng)域獲得啟發(fā)，進而不斷完善自己各方面的科研能力，不斷學(xué)習(xí)提升認知曲線。

第三，要有清晰的邏輯思維能力，無論講PPT還是做具體的科研項目，都一定要邏輯清晰，深入淺出，千萬不要把簡單的問題復(fù)雜化?！拔页３：蛯W(xué)生開玩笑說，你把論文先講給你女朋友聽，她能聽懂的時候，你這個東西就成功了?！?/p>

最后，還要培養(yǎng)一些業(yè)余興趣?！耙?，工作并非生命的全部?！眳栙┱f，現(xiàn)代社會壓力巨大，必須有調(diào)節(jié)的手段。有時，他也會擼貓、打游戲或者通過聽音樂、看電影來放松自己?！霸诳蒲兄?，也需要一些獨立的興趣來豐富生活，支撐自己?！?/p>

“執(zhí)著、堅守、有趣、年輕”——這是對這位年輕的“90后”博士生導(dǎo)師的最好注腳。他以智者之心，行師者之道，走科研之路，在自己的人生事業(yè)中兢兢業(yè)業(yè)、深耕細作。懷揣一顆炙熱的愛國之心、秉承潤物無聲的師者風(fēng)范，厲侃是一位年輕的科學(xué)家，更像一位閱歷豐富的老師，在科研之路上開疆拓土，為推動我國柔性電子領(lǐng)域科研探索進程貢獻著自己的力量?！拔磥恚死^續(xù)聚焦三維柔性結(jié)構(gòu)與可延展電子領(lǐng)域的科研工作，組建一支優(yōu)秀的柔性電子設(shè)計研發(fā)團隊之外，我更希望能以‘四個面向’為目標(biāo)和使命，做一些服務(wù)國家重大需求、服務(wù)民生的有意義的工作?！?/p>

（責(zé)編：李莉）