行山于微尺度世界

王芳 王艷敏

如果從喧囂繁華的香港印象中跳脫出來，從空中俯瞰會發現，其實廣達四分之三的郊野山地，才是“香島”的本來面貌。“行山”是張需明最為喜歡的一項運動。周末，他常常會把學生從繁重的實驗工作中撈出來，邊慢走邊探討問題。香港的山小而平緩，蜿蜒的山徑隱于密林，徐徐而上，不久就至山頂。坐在頂上，微微冒汗的身體在海風的吹拂下涼爽下來，飲茶吃食，縱覽風景，一切的煩惱煙消云散。亦師亦友，這是屬于他們的愜意一刻。

在張需明的眼里，微流控的世界就如這座香島，小而美，但是承載著他深遠的科研夢想。常年沉浸在應用物理研究世界，張需明在率真的本性上又形成了務實的品德。他越來越渴望將技術成果轉化落地，希望學生跟著自己不僅僅是學理論、搞技術、寫論文。他期待著的，是他們能夠真正投入市場的洪流中去，把科研的理念貫徹到商業，將真正優質的科技產品銷售到市場上，造福社會大眾。香港理工大學的校訓“開物成務，勵學利民”正道出他的心思。

在香港理工大學多年，以微流控技術為主攻方向，張需明帶領團隊已經做出了一個又一個令人驚艷的成果。比如，將二氧化碳和陽光轉化為碳水化合物，為緩解糧食危機、解決二氧化碳排放等率先探出一條路;自主研發微藻快速選育微流控技術，已初步驗證和在生物反應器進行規模生產，可用于高級營養品、生物柴油和人造肉的開發;升級版的光催化反應器則成功解決現有消毒工藝中存在的二次污染和致病菌復活的問題，并可降低污水處理工藝的成本;模擬昆蟲的復眼結構開發出的輕巧靈敏的曲面人工復眼系統，為安全監控、機器人視覺、自動駕駛、無人機成像、遠程醫療等需要大視角、全局視場的應用場景提供關鍵的技術基礎等。

張需明的研究從來不是走老路，每一次的課題，他都力求創新實用、與時俱進。在他看來，科研如行山，每條路在不同時節都有獨特的景致，春去秋來，變化萬千，百探不厭。

打好基礎，持續深造

微型化、集成化和智能化，是現代科技發展的一個重要趨勢。微流控（microfluidics）是一種精確控制和操控微尺度流體，以在微納米尺度空間中對流體進行操控為主要特征的科學技術，具有將生物、化學等實驗室的基本功能，諸如將樣品制備、反應、分離和檢測等縮微到一個幾平方厘米芯片上的能力，其基本特征和最大優勢是多種單元技術在整體可控的微小平臺上靈活組合、規模集成。作為一門涉及工程學、物理學、化學、微加工和生物工程等領域的交叉學科，微流控對研究者的交叉學科背景有著強烈要求。

張需明的交叉學科背景還要從中國科學技術大學（以下簡稱“中科大”）讀書時說起。

1989年，出身鄉村的張需明憑借優異的成績，從縣城中學考入中科大。中科大在精密儀器專業課程的設置上融入了豐富的數學、物理、化學內容。本科5年，張需明在數理化方面打下了深厚的基礎，為以后從事交叉學科的研究提供了許多便利。1994年大學畢業前夕，打算攻讀碩士學位的張需明面臨著兩個選擇：一是留在中科大;二是接受推薦，前往上海光學機械研究所（以下簡稱“上海光機所”）。張需明最終選擇了后者。從來沒有離開過安徽老家的他，第一次遠行去上海，對當時的他來說“如去天邊”。但是能夠在豐富多姿的大城市中尋求前途，還是令他興奮不已。

在上海光機所，張需明的導師是王桂英教授，其研究方向是光學工程，主攻X光的全息成像。“王老師對學生有一顆父母心，不管是學習還是生活，她都給了我很多關心。”由上海光機所起步，張需明走上了光學研究之路。與此同時，在研究所之外，中國的光纖通信正在大規模發展，在傳輸干線上全面取代電纜。經過國家“六五”“七五”“八五”“九五”計劃，中國已建成“八縱八橫”干線網，連通全國各省區市，已敷設光纜總長達250萬公里。光纖通信已成為中國通信的主要手段，光纖人才緊缺。在此背景之下，1997年7月，碩士畢業后，具有光學背景的張需明作為搶手人才資源被企業高薪聘請。

然而，在企業工作與在研究所從事科研是兩回事。工作了大半年，天性自由的張需明意識到，自己還是喜歡學術氛圍濃厚、自由度更高的科研工作。也正是這一覺悟，讓他堅定了自己要走科學研究之路的信念。于是，他開始準備出國留學。“正巧，我有一個老師從新加坡國立大學訪問回來，告訴我們那邊正在大量招收研究生。”此時正值20世紀末，新加坡經濟騰飛，被譽為“亞洲四小龍”之一。吸引外來優秀人才是新加坡在國力建設上的重要政策。然而，人生地不熟，怎么申請新加坡研究生呢？張需明想到了一個“笨辦法”。他去圖書館查閱最新的光學期刊，從上邊找到新加坡高校的研究論文，論文上會附通訊作者的地址。張需明選了幾位不同學校的導師，按照地址分別寄去手寫信。1998年9月的一天，他突然收到了一封來自新加坡國立大學的回信，導師在信中歡迎他前去留學。就這樣，辦妥手續，一個月后，張需明就踏上了新加坡國土。

低谷之后，嶄露頭角

1998年10月，張需明來到新加坡國立大學的時候，原本滿懷希望是要讀博士的。“但是到新加坡的前3個月，我沒有拿到明確的課題。實驗室的其他老師都在做光學檢測，我也不太感興趣。1999年春節過后，我開始著急起來。當時正好碰到一位從國內過去的老師劉愛群，他在做硅微機械方面的研究，我就跟著一起做。”事實上，在新加坡國立大學的這段時光，是張需明科研生涯中的低谷階段。身處異國他鄉，實驗進展不順，論文的寫作過程異常艱難。2000年1月，劉愛群拿到南洋理工大學的副教授之職離開了新加坡國立大學，張需明更加感到無助。于是，他決定以碩士身份提前畢業，然后轉到南洋理工大學去，繼續跟著劉愛群讀博士。

“我一般在晚上寫碩士畢業論文。吃過晚飯回到實驗室，七八點鐘大部分人都走了，留下我們幾個‘夜貓子’。打開電視，聽著音樂，我就開始很苦悶地寫。有段時間，電視里一直在循環播放周星馳的《大話西游》《九品芝麻官》等電影。埋頭寫論文的間隙，突然就會被一兩句機智的臺詞擊中，哈哈大笑。”“星爺”電影中小人物的無奈、辛酸和血淚，經過一個艱苦的過程獲得勝利或解脫的大結局，在某種程度上令張需明感同身受。難熬的碩士畢業論文就這樣在“星爺”的陪伴下，終于還是捱過去了。

劉愛群是一位非常善解人意和負責任的老師，為了緩解張需明的經濟壓力，先幫他申請了南洋理工大學的助理研究員職位，一年后又幫他申請了攻讀在職博士學位的機會。邊工作邊讀博，壓力雖大，但是張需明甘之如飴。碩士期間進展不順的課題，此時也逐漸有了起色，成果不斷。張需明第一次真正體會到了科研的樂趣。每每提起這段經歷，他都對自己的導師劉愛群感激不已。

在新加坡南洋理工大學期間，也是張需明嶄露頭角的階段。在劉愛群老師的用心指導下，張需明主要從事微機電系統的研究。在2003年和2005年，張需明兩次獲得南洋理工大學工程學院技術展覽周金獎。之后，他更是以突出的成果獲得亞洲華爾街日報香港分社頒發的2005年度青年發明家獎（Young?Inventor?Awards）銅獎、2006年度國家優秀自費留學生獎學金、2006年新加坡工程師協會杰出成就獎（IES?Prestigious?Engineering?Achievement?Awards）。相關研究成果多次被《法蘭克福匯報》、波分復用解決方案（WDM?Solutions）等國際期刊、媒體專題報道和采用。

2005年8月到2007年9月，張需明在南洋理工大學以千禧年博士后身份開展研究。之后，他又成功獲得前往美國馬里蘭大學（大學城）做助理研究員（帶教職）的機會。從偏僻的鄉村到縣城再到省會合肥，從上海到新加坡再到美國。某種程度上，張需明一步一步的經歷是奇幻的，戲劇性十足，像一位誤打誤撞又聰明的草莽英雄，就如周星馳電影里的那些人物一般。但是，從另一方面來說，他的經歷又是順理成章的。因為在中國，有許許多多的人都是通過持續地接受教育與勤勉的奮斗來改變自己的命運的。也因此，即使在海外的科研工作做得再風生水起，祖國對張需明來說始終是最具吸引力的地方。2009年，手握30余篇國際期刊的高水平論文，張需明受邀加入香港理工大學應用物理系，開啟了自己的又一段科研征程。

加入理大，致力轉化

在寸金寸土的紅磡地帶，香港理工大學鬧中取靜，磚紅色的樓宇矗立其間，顯得遺世獨立。工作日，張需明常常會穿梭在幾棟樓之間，教課、做實驗。

在張需明看來，微流體技術是一門與社會生活聯系十分緊密，同時又非常有趣的學科。在神奇的微觀世界中，運動于狹窄通道中的微流體，與花灑、水管噴出的亂流不同，它們狀態非常穩定，以有組織的平行流沿通道向下流動，其流體和顆粒嚴格遵循數學上可預測的路徑，簡直是一大奇跡。這種廣泛存在于大自然中的層流現象，長期以來也激發出無數科研人員的靈感。在現代精密工程和醫療設備設計領域中，微流體技術正發揮著越來越重要的作用。從實際出發做科研，實現科技成果轉化，是張需明一直以來的心愿。

面對目前國內外廣泛采用的污水處理工藝存在的難以去除對人體有害的生物難降解有機物的問題和紫外光消毒技術缺乏持久性消毒能力的現象，張需明帶領團隊著手探討可以與紫外消毒相結合的改進的消毒技術。在研究中，他們研發出紫外光催化技術。這是一種利用紫外光能驅動的高級氧化技術，既可以去除現有工藝出水中的生物難降解有機物，又可以破壞致病菌的細胞壁，強化紫外殺菌過程，消除紫外殺菌不能持久殺菌和細菌復活的隱患。經過多年探索研究，他們同時解決了上述常用污水處理工藝面臨的兩大難題。

2013年，中國批準裸藻作為新資源食品，由此開啟了微藻龐大市場的快速增長。根據歐洲藻類生物質協會2021年的報告，到2028年微藻產品市場規模將達到18億美元，年增長率大于10.3%。此外，隨著碳排放要求越來越嚴格，能夠大量吸收二氧化碳的微藻養殖也為要實現碳達峰和碳中和的國家提供了一個頗有前景的商業化路徑。針對這些需求，張需明帶領團隊研發出單細胞微藻育種芯片。這一芯片利用微流控平臺形成大規模單細胞微藻陣列，集成流體、溫度、光照等微環境控制功能。它可以監測微藻生長及目標產物的含量，進行微藻培養及快速批量篩選，從大量誘導變異微藻源中快速高效選育獲得高產藻株，定向生產特色高價值營養成份（如DHA、EPA、油脂、多糖等），并探索出優化培養條件，提高產率，降低成本。利用微藻選育芯片，可以將一次選育周期從6個月縮減到1個星期，把需要長時間（數年的量級）的培養條件優化縮減至幾天的量級，把一個選育周期只能測試一個或少數幾個藻種提高到批量篩選幾百到幾萬個藻種，大幅提高獲得最優藻種的成功率。目前，張需明帶領團隊已經開發了第一代芯片，期望進行實際的工業應用和推廣。

當前，碳排放問題急需全球性的努力來避免災難性氣候變化。張需明認為，將二氧化碳轉化為有價值的、富含能量的材料，是具有經濟性和可持續性的解決方案。于是他帶領團隊模擬自然光合作用，開發出人工光合作用（APS）系統，利用陽光將CO2轉化為葡萄糖前體，為進一步加工成食品提供基本原料。他研究利用微流控平臺來簡化光捕獲和分步酶促反應，使用可吸收可見光的半導體光催化劑（例如C3N4、Cu2O、Au/TiO2）來取代葉綠素，以高效利用太陽光、提高耐用性。此外，他還使用NaHCO3溶液可控地增高CO2濃度。更重要的是，張需明通過將RuBisCO和其他酶固定在微反應器不同區域或微流控平臺的不同微滴上，提高了酶活性，使得酶可被重復使用，也避免了逆反應和交叉污染。

在近期的研究中，張需明帶領團隊實現了以13.8μmol?g.1?RuBisCO?min.1的產率來連續生產葡萄糖前體，顯著提升了RuBisCO的性能，提高了酶穩定性（儲存穩定性增加7.2倍，熱穩定性6.7倍）和可重復性（5次循環使用后仍保有90.4%的活性，10次循環后保有78.5%）。此研究利用微流控平臺技術來復現APS途徑，僅用很少量的RuBisCO就能連續合成葡萄糖前體。因此被學界寄予厚望：“盡管與工業生產尚有距離，但張博士的工作演示了基本食物材料的人工合成，將有益于緩解糧食危機，也可能對載人空間站和未來太空移民有用。”

基于相關研究，2011年至今，張需明多次在國際光流體學多學科會議、國際先進技術材料會議、國際微化學與微系統研討會等國際學術會議上獲得最佳墻報獎、最佳論文獎。在2018年，張需明還榮獲IOO國際基金會和國際光流體協會頒發的創新獎。深耕微流控技術領域多年，迄今為止，張需明已經在國際權威期刊發表論文200余篇，相關成果多次被媒體以專題、亮點、封面形式報道。而在不遠的未來，張需明最希望的，就是這些科技成果都能一一得以轉化落地。因此，在他近年來的招生要求中，最醒目的一條就是“目標為畢業后去深圳開個小公司，把研究成果做成產品”。

啟發引導，創造自由

生活里急脾氣的張需明，做起科研來卻慢悠悠。這種慢里邊，有一種篤定的自信和不急于求成的非功利心態。帶團隊的過程中，他根據自己過往的經歷，以及從老師們那里傳承來的寶貴經驗，形成了一套自己的方法學。

張需明從來不會強制給學生規定任務和目標，一般只是確定研究方向，定期詢問進度，與學生一起復盤、總結。他尤其注意給不同的學生分配差別較大的方向，避免趨同競爭。張需明希望學生做研究能“做得爽”，真正將這當成一種愛好，在興趣驅動下，自發去探索和交流。而學生們也常常不負所望，既保持著對科研的熱愛，也接連做出成果，這令張需明倍感欣慰。

2016年，張需明指導的研究生蔡智聰和楊沛航研究出太陽能光催化污水凈化器，成本只為傳統污水凈化花費的十分之一，受到《星島日報》的報道。2018年，在第十一屆全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽決賽中，張需明指導的學生項目，從來自清華大學、上海交通大學、浙江大學、臺灣大學、香港理工大學等105所高校的千余名學生帶來的213個科技創新項目中脫穎而出，榮獲二等獎，為節能減排貢獻了創新力量。

在對本科生的教學當中，張需明延續了自己帶研究生的風格，給予學生寬松的學習環境。與此同時，面對物理學復雜的理論常常讓學生摸不清楚頭腦的狀況，張需明也在不斷改進自己的教學方式和內容，以生動的案例和趣味性的講解引起學生的興趣。

作為應用物理系的副主任、研究委員會主席，張需明對學科的發展、學生的就業前景十分關心。為此，他積極調整學科方向，以“既不能丟掉物理的根子，也要去面向社會的熱門應用”為原則，開設了多門與社會需求緊密結合的課程，輻射物理、人工智能等新興領域通通被納入課程體系當中。拓展學科邊界、盡量接近社會需求的同時，張需明還切實推動學術交流，為研究生爭取出國交流的機會，并面向本科生舉辦各種線下、線上學術講座。在學術隊伍建設上，張需明大力扶持優秀人才，從項目、資金、曝光度、學術合作等方面給予充分關懷。

雖然身處管理職位，但是張需明從來不認為好的隊伍是“管”出來的，而應啟發引導，創造自由開放的氛圍，提供充滿人性化的服務，幫助大家解決一些共性的問題。張需明相信，絕大部分人都會在自我驅動中，盡情生長。

（責編：王芳）