癲狂科研啟迪心

沈海軍，同濟大學航空與力學學院教授，博士生導師，飛行器工程研究所所長。國際刊物《The Open Mechanical Engineering Journal》編委，教育部教學指導委員會委員。主持或參加過國家自然基金、航空科學基金等多個項目；已發表論文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，我在納米力學和飛機設計兩個跨距極大的領域里一晃干了十余年。十幾年里，我指導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，有點癲狂，“跑偏”了科研，但仔細想來，卻能夠啟迪心智，給枯燥的傳統科研生活平添了許多樂趣。

納米藝術的誕生

上世紀末，納米科技興起。2003年前后，我開始涉獵納米力學研究，并指導碩士研究生。當時，我的主攻方向納米碳管的力學特性，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，我們被電腦屏幕上的神奇圖像驚呆了：納米碳管上的每個原子上的能量梯度交織在一起，變幻無窮，構成了絢麗的圖案，宛如一幅幅抽象的藝術作品。

于是，我們立馬搜索關鍵詞“納米藝術”“nanoart”，令人遺憾的是，當時中文網絡信息幾乎沒有，而相關英文的信息條數也僅有區區數百條。直覺告我們，一門嶄新的交叉學科——納米藝術即將誕生。也就是那一天，我們在網上注冊并建立了全國第一家納米藝術網站，網站首頁橫幅的標題為“納米藝術：納米技術與藝術的完美結合”。網站建立后，課題組同時也多了一項任務，那就是但凡有在網上發現微納米級藝術相關的資訊，如顯微鏡照片、分子器件模型，也包括課題組分子模擬、微觀實驗中發現的藝術圖像，統統上傳到納米藝術網。

就這樣，日復一日，年復一年。到了2008年，納米藝術網居然收集了數千幅納米美圖，其中還包括課題組創作的《納米五星紅旗》、《沖殺》等作品；期間，我也陸續發表了10余篇納米藝術的相關論文。2008年夏，我又和幾個研究生一道，開始著手對收集的納米藝術作品進行梳理，撰寫國內外第一本納米藝術專著——《納米藝術概論》。2010年，課題組和同濟大學的知名教授時東陸教授一起，在蘇州成功舉辦了迄今為止國內最大的納米藝術科普展。那時候，《納米藝術概論》一書也剛好完稿、正式出版，并在那次納米藝術展開幕式上簽售。

納米分子槍

2004年，課題組里曾發生了一件值得一提的事情，那就是我和一位研究生設計了一款“分子槍”。當時，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填充富勒烯、DNA鏈、美沙酮等小分子，進而探討納米碳管中小分子的定向反應和傳輸特性。

有一天，一件有趣的事情發生了。這位同學在納米碳管中加裝螺旋DNA直鏈和C60小球分子；當DNA“軸”轉動時，DNA螺距間內的C60分子竟然會在納米管內移動，從一端運輸到另一端。這正如現實生活中的絞肉機：肉從一端加入，螺旋軸旋轉時，肉餡就會沿著螺桿軸從另一端輸出。于是，一個奇特的想法在他腦海中閃過：如果納米碳管內的DNA軸轉得足夠快，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實可以發射分子“子彈”的槍嗎？

經過討論后，我們立馬投入“分子槍”的設計。省略過程，直接說結果吧。“分子槍”的最終設計采用了NANOXPLORER分子器件設計軟件；“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動其旋轉，可將填充口填充的C60“子彈”從槍口發射出去。

該“分子槍”設計我們前后花了大約1個月的時間。現在看來，設計它也許僅僅是出于一時興起，但在整個設計過程中，我們對分子模擬的原子力場、相應的分子設計軟件使用，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，光明日報等諸多媒體報道了我們課題組的蟬動力飛機成果，轟動一時。然而，此項工作卻源自于我的一位研究生對國外昆蟲飛機研究的調研和追蹤。

近年來，媒體上報道了不少歐美國家關于蒼蠅、蚊子等昆蟲飛機在未來戰場上的應用，簡直吹得是神乎其神。為此，一位研一的學生被我安排調研該方向的研究現狀。數日下來，學生沮喪地反映，只查到了一些泛泛報道，實質性的技術細節一無所獲。冷靜下來后，我們又展開了一次深入的討論。最終，討論結果落到了“一只蒼蠅飛行時的動力到底有多大”的問題上。因為，一只昆蟲要戰場上取得應用，要收集情報，就得加裝攝像圖、竊聽器等情報采集裝置，而這些設備要工作得有電源供電。顯然，只有知道昆蟲的飛行動力有多大，才能根據“推重比”（推力和重量之比）來反推昆蟲的負載能力，進而估算出情報采集設備（含電源）的重量與大小。

一只蒼蠅飛行時到底有多大動力？問題就擺在了眼前。苦思冥想后，最終我們發明了一套簡單實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線懸于碳桿頂端；驅趕蒼蠅時，蒼蠅會飛開并拉彎碳桿，通過攝像機記錄碳桿的彎曲擾度，并結合碳桿的剛度，就可得到蒼蠅的飛行拉力。經過試驗，最終發現，蒼蠅飛行的拉力可達到0.1克，其推重比驚人地高，約為2.5，為美國最先進的第四代戰機F22引擎的2倍。

盡管如此，0.1克量級的重量對于當下的情報采集設備技術來說，實在是太苛刻了。于是，我們果斷放棄蒼蠅、蚊子等小昆蟲，將目光轉向體型較大的蟬。這一次，工作進展得比較順利。2013年8月，課題組蟬地面行為遙控實驗完成，緊接著研制成功了一枚蟬動力遙控微型飛機樣機。目前，該蟬動力遙控微型飛機已經獲得了國家專利。

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連環畫——《蒼蠅飛機男的一生》。后來，該連環畫還上了《勞動報》呢。

微型仿飛魚滑翔機

自然界中除了禽類、昆蟲以外，還有許多會飛行的動物，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物學習。為躲避鯊魚等其他魚類捕食，飛魚經常會躍出水面，在空中滑翔。資料顯示，一些飛魚的跳躍高度可達一米多，滑翔距離甚至可以超過10米，具有極其優越的“飛行”性能。

2014年，借助三維打印技術，我和一位研究生針對飛魚開展了計算機建模、風洞試驗、飛魚飛機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自由飛滑翔機。

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，我們搜索遍了網絡，結果只發現若干飛魚的圖片和文獻，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市場，終究沒有發現飛魚的身影。

怎么辦？最后，我們想出了一個迫不得已的辦法：那就是在已有鯉魚三維CAD模型的基礎上進行修改，整出一個飛魚的三維模型來。按照這樣的思路，我們從網上下載了鯉魚的三維數字模型，從市場上還專門買了兩條鯉魚，通過對比、測量，確認了鯉魚三維數字模型的正確性。接著，參照飛魚的照片對鯉魚數字模型進行“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直接打印出了飛魚的三維模型實體；緊接著，將該三維飛魚模型實體放置于學院的風洞，進行吹風試驗，進而獲得了飛魚滑翔中的空氣動力學特性數據。直接將動物三維打印出來，并進行風洞試驗，這在國內外尚無先例。風洞試驗結果顯示，在很大迎角范圍內，飛魚的升阻比（升力和阻力的比值）都能夠維持在5～6之間，這是普通室內微小飛機升阻比的上限。這說明飛魚具有極佳的氣動性能。

有了飛魚的氣動性能數據，用泡沫材質按比例制作出放大的飛魚，再加裝實驗室里先前的微小飛機電機、鋰電池等電子設備，一架微型飛魚仿生電動滑翔機便制作完成。2014年5月，課題組對該飛魚仿生微型電動滑翔機進行了試飛。滑翔機從頭頂飛過，姿態平穩，飛行效果良好。

責任編輯：曹曉晨