以“智”為引，為仿皮膚傳感材料開辟新天地

1984年，“終結(jié)者”系列電影接連進入大眾視野，如今它在無數(shù)科幻電影迷心中，已經(jīng)成為不可替代的經(jīng)典。電影中，機器人T-800從一個沒有感情的機器人最終成長為理解人性的生命體。除了炫酷的形象，機器人模仿人類和自我修復(fù)的能力也同樣深入人心。在電影設(shè)定中，機器人的外骨骼由一種名為“合金液體金屬”的新型合金構(gòu)成，能夠在受損的情況下自我修復(fù)，使得它在戰(zhàn)斗中難以被擊敗。

近年來，隨著科技的飛速發(fā)展，電影中曾經(jīng)看似遙不可及的想法在不斷變?yōu)楝F(xiàn)實，相關(guān)技術(shù)也開始普及，人類與技術(shù)同行的時代已然到來。

天津大學(xué)化工學(xué)院生物化工系教授楊靜，正是一位致力于科技前沿研究的年輕女性科學(xué)家。她聚焦于仿皮膚傳感系統(tǒng)，在天然皮膚觸覺機制的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性提出一種材料“力誘導(dǎo)離子生成”的觸感新機制，并基于此構(gòu)建出一系列仿皮膚傳感材料。

“這種仿皮膚傳感材料外觀就像人的皮膚，可以通過粘貼在機器人表面后使其產(chǎn)生觸覺，提高機器人的智能感。”據(jù)楊靜介紹，“仿皮膚傳感材料可以使機器人不但通過觸摸物體感知溫度，還可以化身為一觸即知曉物體形狀的高級‘智能感’機器人?！?/p>

如今，利用先進材料、微納制造、智能感知等交叉融合手段，楊靜團隊構(gòu)建的傳感器件及傳感系統(tǒng)，已應(yīng)用于智能敷料、靜默通信、極端環(huán)境機器人等多個領(lǐng)域，她正一步一個腳印，孜孜以求地致力于將科幻電影照進現(xiàn)實。

做智慧科技的探路者

皮膚作為人體最大的器官，不僅肩負著防御“外敵”入侵的使命，還能感知多種外界刺激，如溫度、壓力等。此外，皮膚還有自我修復(fù)的功能。仿皮膚材料其實是種可延展柔性傳感材料，這類材料想要模擬機體皮膚，首先要具備觸覺。人類皮膚對機械刺激的觸覺源于體內(nèi)的機械感受器，這些感受器可將外力轉(zhuǎn)化為電信號，并通過中樞系統(tǒng)傳輸?shù)酱竽X。受此啟發(fā)，構(gòu)建能夠?qū)⑼饬D(zhuǎn)化為電信號的傳感器，并通過對電信號進行分析，解調(diào)外界刺激變化，就是仿皮膚傳感器的制備目標與原理。不難看出，相關(guān)領(lǐng)域研究也需要材料化學(xué)、電子學(xué)、人工智能等多學(xué)科交叉作為研究理論基礎(chǔ)。

這些年，研究人員不斷在仿皮膚材料與傳感器領(lǐng)域進行開拓研究，并渴望這種材料不僅能滿足機器人，也能滿足人類自己，楊靜便是其中一員。

楊靜科研的起點是南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院和天津大學(xué)化工學(xué)院合辦的分子科學(xué)與工程專業(yè)。大學(xué)時期受到理科與工科兩方面知識的“沖擊”，為她后續(xù)進行交叉學(xué)科的研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。楊靜很感恩這幾年的積累，不僅打牢了理論基礎(chǔ)，還讓她更注重工程中的優(yōu)化?！熬拖裎宜芯康姆缕つw材料，本身就既有針對理論機制的研究，也有針對將其研發(fā)成器件后的工程優(yōu)化研究，這其實正是理學(xué)和工學(xué)的結(jié)合。”

隨著對理論基礎(chǔ)與工程優(yōu)化的不斷深入，楊靜逐漸找準目標，認清了自己的研究興趣。此后，她在天津大學(xué)化工學(xué)院相繼完成碩士與博士階段的學(xué)習(xí)。

據(jù)楊靜回憶，博士時期，她協(xié)助導(dǎo)師張雷教授，承擔(dān)了多個科研項目的輔助工作，還會時常帶領(lǐng)師弟師妹組團做實驗，往往實驗桌前一坐，就是一整天。作為張雷教授回國工作后的第一個博士生，楊靜深受導(dǎo)師影響，明白沉下心去、堅定信念的重要性。“專注在科研過程中是極為重要的，只有目的明確才會直指問題所在，將問題核心剖析清楚。”人生短暫，在楊靜心中，作為科研工作者，應(yīng)該把有限的精力投入到真正重要的事情中，專注、深耕、細細打磨，才有可能在所勝任的領(lǐng)域成為佼佼者。

憑借著日復(fù)一日的堅持與努力，近幾年，楊靜懷揣著對智慧科技、國家需求的飽滿熱情，收獲了累累碩果。她以第一通訊作者發(fā)表論文40篇，主持承擔(dān)國家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年項目/面上項目、領(lǐng)域重點創(chuàng)新項目等多項國家級課題，并于2019年以中部參賽地區(qū)第一名的成績獲得國家級大賽獎，獲批300萬元的項目研究支持。

對于楊靜來說，她未來的科研前景可以擁有無限遐想。然而站在仿皮膚傳感系統(tǒng)的科技前沿，楊靜始終專注地思考著一件事：隨著技術(shù)的不斷突破，如何將技術(shù)、經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為切切實實的生產(chǎn)力？從哪里切入，這同樣是問題的關(guān)鍵。為此，她愿意做探路者，去搶占仿皮膚傳感系統(tǒng)研究的新高地。

做腳踏實地的領(lǐng)跑者

科幻與現(xiàn)實畢竟有著遙遠的距離。雖然艱難，但如果能與一群志同道合的人在一起，“讓科幻照進現(xiàn)實”就不是一句空話。2018年，楊靜博士畢業(yè)后加入天津大學(xué)化工學(xué)院生物化工系，現(xiàn)任教授、博士生導(dǎo)師。來到天津大學(xué)化工學(xué)院任職后，在博士導(dǎo)師張雷教授的帶領(lǐng)下，楊靜結(jié)識了一群同樣對仿皮膚傳感材料和器件感興趣的伙伴，在她看來，這個30多人組成的“大家庭”有著堅定的目標，這里面有熱愛、有樂于挑戰(zhàn)的快感，還有沉甸甸的責(zé)任。

團隊認為，對于仿皮膚傳感材料來說，最理想的狀態(tài)就是能夠像人類皮膚一樣，對不同接觸壓力背后的信息進行收集和分析，并給予準確的反饋，而且期待未來能夠構(gòu)建出具有生物活性的人工組織或器官替代物，要能充分應(yīng)用于修復(fù)組織器官缺損或功能障礙的交叉領(lǐng)域?！搬t(yī)療健康領(lǐng)域?qū)Ψ缕つw傳感材料的需求很大，這是我們團隊一直在努力的方向?！睏铎o表示。

領(lǐng)跑仿皮膚傳感材料領(lǐng)域的背后，離不開楊靜團隊的深入研究與切實投入。多年來，楊靜針對仿皮膚器件開發(fā)過程中的多個難題展開突破。

薄薄的人體皮膚，除了對溫度、壓力等有高度感知力外，還具有抗菌、自愈等屬性。如何讓仿皮膚器件也能這樣集成多種功能和屬性，顯著提升機器人的智能程度，是楊靜的研究重點，這次她將重心轉(zhuǎn)向開發(fā)可用于超低溫環(huán)境的仿皮膚器件，并在這方面邁出了一大步。

要知道，人類探索的腳步早已深入極地低溫地區(qū)，但低至零下七八十?dāng)z氏度的嚴寒天氣為極地探險者的生命安全帶來了極大的風(fēng)險。為何不賦予機器人“觸覺”，研發(fā)一種極地智能機器人，代替人類邁向嚴寒呢？

但開發(fā)可用于超低溫環(huán)境的仿皮膚器件具有極大的挑戰(zhàn)性，常用的彈性基底和電子墨水，不但在極低溫度下滿足不了自愈能力的條件，也很難保持柔韌性、導(dǎo)電性，因此開發(fā)超低溫耐受的仿皮膚器件一度成為楊靜團隊科研任務(wù)的重中之重。

團隊基于低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、脆化溫度的聚二甲基硅氧烷，設(shè)計了一類超分子彈性體，并賦予材料快速可逆動態(tài)組裝性能。在此彈性體的研發(fā)基礎(chǔ)上，團隊自主研發(fā)自愈合電子墨水，最終成功構(gòu)建了在-78℃條件下可自愈、高拉伸、高靈敏度的電子皮膚。這種電子皮膚覆蓋在機器人手掌上，便可在-78℃的條件下準確感應(yīng)到不同的壓力，精準實現(xiàn)對物體形狀和特定符號的識別。值得一提的是，哪怕是經(jīng)歷-78℃的低溫，電子皮膚在損傷后的傳感能力仍然可以實現(xiàn)完全恢復(fù)。這一成果也成功發(fā)表在《美國化學(xué)會志》（Journal of the American Chemical Society）上。

做科技服務(wù)民生的推動者

大多數(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，其主要目標是解決實際問題，如果不能實現(xiàn)成果落地，學(xué)術(shù)研究將是無源之水。

楊靜也在多年的研究中意識到，迎頭追趕光靠一兩個團隊遠遠不夠，要想將仿皮膚傳感材料做大做強，必須把科研界和產(chǎn)業(yè)界團結(jié)在一起，共同發(fā)力。

目前，根據(jù)團隊已經(jīng)成功研發(fā)的系統(tǒng)，只須將仿皮膚材料器件貼在喉部，無須發(fā)聲也不用做出任何手勢，便能通過喉部肌肉的運動將微小的機械振動轉(zhuǎn)化為無聲語音。這種喉戴傳感器克服了當(dāng)前靜默通信技術(shù)所面臨的可控性差、信噪比低等問題，能夠在不借助聲音和可識別動作的情況下實現(xiàn)用戶之間或用戶與計算機之間的無聲通信，可成功應(yīng)用于開發(fā)新型靜默通信系統(tǒng)。這一成果不僅在現(xiàn)實生活中有可期的應(yīng)用前景，成果還發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications），為領(lǐng)域前沿探索作出了貢獻。

在智能敷料應(yīng)用方面，楊靜同樣做出巨大努力。傷口感染是最常見的創(chuàng)傷并發(fā)癥，已成為創(chuàng)傷護理的主要挑戰(zhàn)。為此，楊靜和團隊研發(fā)了新型智能傳感敷料，實現(xiàn)了慢性傷口的多項指標實時監(jiān)測與區(qū)分，并能有效促進慢性傷口（如壓瘡、糖尿病傷口）的愈合。

楊靜解釋，智能敷料就好比將能感受血糖變化的血糖儀貼在皮膚表面一樣，當(dāng)智能敷料與人體皮膚上的傷口接觸后，會及時反映傷口的嚴重情況、有無炎癥，甚至可以知曉愈合的程度?！爸悄芊罅习哑つw的各種指標量化了，是糖尿病患者、因長期癱瘓生壓瘡病人的福音?！?/p>

專注仿皮膚傳感材料的制造與研究多年來，楊靜實現(xiàn)了多項突破，但她仍說自己只是個“土博士”。盡管沒有海外學(xué)習(xí)經(jīng)歷，但楊靜的研究從不是閉門造車，她一直保持世界眼光和國際視野，經(jīng)常與國際伙伴開展交流與合作，書寫更多關(guān)于仿皮膚材料的故事。

做言傳身教的師者

如今，在天津大學(xué)任職，楊靜時刻牢記母?！皩嵤虑笫恰钡男Ｓ?xùn)，把學(xué)校的優(yōu)良傳統(tǒng)、嚴謹學(xué)風(fēng)、務(wù)實作風(fēng)帶到自己的科研崗位，融入自身的工作與教學(xué)中。

科研工作中，楊靜和學(xué)生之間永遠是相互尊重、平等相待的關(guān)系。日常教學(xué)中，她秉持了博士導(dǎo)師張雷教授的教學(xué)風(fēng)格，很“接地氣”，擅長從身邊的人或事入手，以學(xué)生易懂的知識來引導(dǎo)學(xué)生進一步學(xué)習(xí)新知識，這也使得上過她課的學(xué)生對知識的掌握更加牢固，在推動仿皮膚傳感材料的創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展方面越來越有自己的體會與感悟。而在平時實驗過程中，楊靜也很樂意聽取大家的想法，他們以實驗室和平臺作為載體，堅持做有現(xiàn)實意義的研究，進一步推動學(xué)科建設(shè)，既使學(xué)科建設(shè)有了看得見摸得著的實施對象，又符合天津大學(xué)“實事求是”的特點。

楊靜將科研的歷程比作跑步，本科時期只需完成固定流程，堅持跑完即是勝利；而碩士就得在一個框架內(nèi)完成既定的公里，如何跑、怎么跑都得靠自己來設(shè)想；到了博士，則完全變成了開放式的，所有的流程可能都需要自己來探索、設(shè)計?！安┦侩A段，基本上是一只腳已經(jīng)踏進社會了，不能再停留于本科時的想法和做法了。”楊靜在教學(xué)中總是恰到好處地運用一些形象生動的比喻，這種“接地氣”的比喻式教學(xué)，也使她更善于發(fā)現(xiàn)學(xué)生的問題并引導(dǎo)學(xué)生及時糾正，為準確掌握學(xué)生心理動態(tài)打下了堅實的基礎(chǔ)。

雖自嘲為“土博士”，但楊靜實則“科技范兒”十足，這也在一定程度上更拉近了與學(xué)生之間的距離。“國內(nèi)外的教學(xué)環(huán)境和方法差異還是挺大的?！焙芏鄷r候，學(xué)生懶惰的心理、規(guī)避困難的情緒，經(jīng)歷過同樣求學(xué)過程的楊靜都深有體會，也更能幫助學(xué)生找到適度轉(zhuǎn)移的方法。因此，除了重視學(xué)生掌握知識的效果外，楊靜還特別重視發(fā)展學(xué)生的心理健康，不只是將重心放在課本上，而是培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)、獨立解決問題的能力，讓大家自由地發(fā)展，找到最適合自己的研究路線。

做勇敢的自己

科研和教學(xué)之外，作為一名女性科研工作者，楊靜也不可避免地面臨著一些現(xiàn)實困境?！翱梢哉f不僅是女性科研工作者，所有女性工作者可能都面臨平衡工作與家庭的問題。這看起來是個很‘貼標簽’的問題，但事實就是這樣，女性因為生育等原因，就是比男性承擔(dān)了更多家庭工作?！?/p>

在碩士、博士階段，楊靜分別生育了自己的兩個孩子，這也讓她一度疲于分身。她所能做的就是提升自己的工作效率，也因此多年來，她始終保持著極高的工作效率，擠出時間陪伴孩子的成長。她說：“我很感謝國家近年來出臺了很多政策，在許多人才評選中女性的年齡都會放寬兩三歲，這給了女性科研工作者很大的照顧和支持。我也很感謝我的家人始終在背后支撐著我，讓我實現(xiàn)了工作與家庭的平衡?！?/p>

不被“標簽”所束縛，也敢于直面真實的困境，楊靜面對各種問題始終從容而理性。她鼓勵所有女性科研工作者不要放棄追逐夢想，也不必因為追逐夢想而犧牲家庭，“我們都是普通的科研人員，也是普通的母親。我們會為科研的難題而苦思冥想，也會為孩子的功課而頭疼發(fā)狂。去勇敢面對，解決問題，尋求家人的幫助，都能幫助我們走出困境”。

楊靜還在一步步向前，在自己的圓夢路上撒下一顆顆“種子”，她也期待更多的女性科研工作者勇敢做自己，與她一起同行在奮斗路上。