讓機器擁有“觸覺”
——記北京航空航天大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院副研究員姜翔宇

謝明昊

化學(xué)、力學(xué)、磁學(xué)等各類傳感器件是未來智能化機械設(shè)備、高精度機床及智能機器人等高端工業(yè)設(shè)備必不可少的元器件，傳感器的靈敏度和精確度決定了這些設(shè)備的技術(shù)水平和性能。

目前，提高傳感器的靈敏度已經(jīng)成為傳感領(lǐng)域的研究重點和難點，盡管一維傳感器元件具有更大的比表面積及更高的材料利用率，能大幅度提高傳感器的靈敏度，但各類傳感材料的一維化普遍面臨加工方法上的技術(shù)瓶頸。

面對這一技術(shù)瓶頸，北京航空航天大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院副研究員姜翔宇研究出了新的方法，他從控制溶液揮發(fā)過程中三相線的移動出發(fā)，利用界面微結(jié)構(gòu)和化學(xué)修飾協(xié)同作用來實現(xiàn)傳感材料的一維化構(gòu)筑，為開發(fā)高性能高靈敏度傳感器件奠定了基礎(chǔ)。在可見的未來，研發(fā)可應(yīng)用的一維傳感器，是姜翔宇努力的最終目標(biāo)。

燈塔

姜翔宇科研旅程的起點，是一場全國高中生化學(xué)競賽，他獲得了一等獎。憑借這個優(yōu)異的成績，他被直接保送到吉林大學(xué)化學(xué)基地班。在基地班里，姜翔宇能力突出，經(jīng)常與老師探討科學(xué)問題，在大三那年，他進入實驗室，開始直面科學(xué)的世界。

兩年的時間，在實驗室努力鉆研的姜翔宇發(fā)表了兩篇《科學(xué)引文索引》（SCI）論文，他對科研產(chǎn)生了巨大的興趣。本科畢業(yè)后，姜翔宇被保送本校進行碩博連讀，并在中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所（以下簡稱“中科院理化所”）進行聯(lián)合培養(yǎng)。在之后的5年時間里，他大多數(shù)的時間都在中科院理化所度過，在這里，姜翔宇遇到了對他人生影響很大的江雷院士。

江雷院士對姜翔宇來說就像燈塔一樣，照亮他日后的科研道路。“我覺得自己真正走上科研的道路還是在遇到江老師之后，因為之前雖然對科研感興趣，但更多的是喜歡動手做實驗，而缺少對課題的思考和想象。因為江老師的教導(dǎo)，我慢慢意識到科研并不是單純地做實驗，也要有思路和邏輯思維能力。”姜翔宇由衷地說道。

博士畢業(yè)后，姜翔宇繼續(xù)跟著江雷院士在中科院理化所做博士后相關(guān)的工作。“我最初的工作是研究磁性粒子仿生，我仿生的生物是鴿子。鴿子的體內(nèi)有上喙皮細(xì)胞內(nèi)磁性晶簇，使它具備了定位的能力，所以我仿照鴿子磁性粒子鏈這個一維的結(jié)構(gòu)，開發(fā)各種材料的一維結(jié)構(gòu)。”姜翔宇解釋說。

為此，姜翔宇系統(tǒng)研究了各種影響因素對納米線的結(jié)構(gòu)和形態(tài)的影響，研究結(jié)果表明，良好的疏水性是采用液橋去浸潤法制備金屬粒子納米線的必應(yīng)條件。最終，姜翔宇采用銀納米粒子和四氧化三鐵納米粒子作為組裝材料，利用固體表面浸潤性的原理和差異浸潤性的原理，分別采用液橋去浸潤法和液膜定向收縮法制備了大面積的規(guī)整的銀納米粒子線和四氧化三鐵磁性納米線。“并且由于制備的四氧化三鐵磁性納米線的長寬比十分懸殊，所以當(dāng)結(jié)構(gòu)在磁場內(nèi)與磁場形成不同角度時，它的磁化強度會不同。利用這種磁各向異性，我們就有可能實現(xiàn)對地磁場方向的感知從而實現(xiàn)定位的作用。”此后，姜翔宇根據(jù)江雷院士的研究方向——超浸潤原理，將他最終的研究方向確定為基于浸潤性原理的一維傳感器制備。

2019年，結(jié)束博士后工作后，姜翔宇入職北京航空航天大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院，擔(dān)任副研究員，開啟新的科研旅程。“江老師覺得北航對傳感器的需求非常大，而我一直在做傳感器相關(guān)的工作，這樣可以有更多的結(jié)合，可能對未來的研究有幫助，所以我來到了北航。”

碩果

目前，如何提高傳感器的靈敏度是傳感器研究領(lǐng)域的重中之重。姜翔宇研究的一維傳感器比其他的二維、三維傳感器具有更大的比表面積，材料的利用效率更高，最重要的是它能大幅度提高傳感器的靈敏度。“雖然一維傳感器有很大的優(yōu)勢，但是傳感材料的一維化在加工方法上面臨著瓶頸。”

姜翔宇介紹說，主要原因在于傳感材料通常不具備自組裝性，只能采用溶液旋涂等方式鋪展成二維膜結(jié)構(gòu)來制備器件，同時溶液的不可控分割和收縮（即氣-液-固三相線的不可控錨定和移動），還會導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)的不完整。

針對這一難題，姜翔宇從控制溶液揮發(fā)過程中三相線的移動出發(fā)，利用界面微結(jié)構(gòu)和化學(xué)修飾協(xié)同作用來實現(xiàn)傳感材料的一維化構(gòu)筑。他通過誘導(dǎo)連續(xù)液膜分割成獨立的液橋陣列及表面張力拉伸形成液橋的方法使得每一個液橋具有獨立的三相線，且其錨定位點和移動方向可精確控制。此外，姜翔宇進一步調(diào)控獨立液橋的形貌和尺寸，通過限域誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)單元的組裝，實現(xiàn)了可控的大面積一維化陣列傳感器件制備，為開發(fā)高性能高靈敏度傳感器件奠定了基礎(chǔ)。

姜翔宇的研究并沒有止步于此，他利用開發(fā)的方法制備了化學(xué)傳感器、光電傳感器及磁場方向傳感器，其中光信號化學(xué)傳感器的靈敏度提高到了傳統(tǒng)光信號傳感器的兩倍；光電傳感器和磁場方向傳感器的靈敏度處于世界領(lǐng)先水平。

在化學(xué)傳感器方面，姜翔宇發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的化學(xué)傳感器以二維膜結(jié)構(gòu)為主，因其與環(huán)境氣體的接觸面積（比表面積）較小而使其靈敏度一般較低。若能將傳感器一維化，則能顯著提高其與環(huán)境氣體的接觸面積，進而大幅度提高有機氣體傳感器的靈敏度。

于是，姜翔宇通過利用固體表面浸潤性原理，將銀納米粒子溶液形成取向性液橋，再通過溶劑揮發(fā)制備出大面積規(guī)整的銀粒子納米線，在此基礎(chǔ)上通過二次去浸潤過程，將聚合物包覆在銀粒子納米線表面，制備一維同軸復(fù)合型納米線陣列。當(dāng)外層聚合物接觸有機氣體時發(fā)生溶脹現(xiàn)象，導(dǎo)致聚合物鏈對內(nèi)層銀粒子產(chǎn)生擠壓，使納米線的整體導(dǎo)電性下降。不同有機氣體引起納米線導(dǎo)電性下降的程度存在差異，從而實現(xiàn)對不同有機氣體的檢測。

在光信號化學(xué)傳感器方面，姜翔宇考慮到傳統(tǒng)熒光氣體傳感器是利用波長移動型熒光染料來實現(xiàn)對氣體的檢測，由于熒光分子相互作用較弱，使得傳感器具有較低的靈敏度和較差的特異性識別性能。因此，他通過結(jié)合聚合物和聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）分子，在不對稱浸潤性界面上限域構(gòu)建聚合物/AIE熒光微米線陣列作為氣體傳感器，利用聚合物溶脹誘導(dǎo)光強變化實現(xiàn)對有機氣體的高靈敏和特異性檢測。

姜翔宇建構(gòu)的聚合物/AIE熒光氣體傳感器具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、靈敏度高于傳統(tǒng)熒光傳感器的優(yōu)勢。他通過理論計算揭示了熒光傳感器用于氣體檢測的機理，并且利用現(xiàn)有商品化聚合物或AIE材料構(gòu)建傳感器陣列，實現(xiàn)對不同有機氣體的識別，證明了方法具有普適性。

在磁場方向傳感器方面，現(xiàn)在磁傳感器的核心是由磁性材料組成的磁感應(yīng)元件，很重要的一個參數(shù)就是材料的長徑比，長徑比越大對磁場方向的檢測越靈敏。增加長度或減小直徑是提高長徑比的兩個渠道，增加長度受器件尺寸限制已經(jīng)達(dá)到極限，而材料一維化是縮小直徑最有效的方法，但由于磁性材料自身的相互作用力，導(dǎo)致磁傳感材料的一維化一直是這個領(lǐng)域的難題。

姜翔宇通過差異浸潤性修飾的模板，限制磁性材料組裝的空間，利用差異浸潤性界面控制水溶液液膜定向收縮的方法，第一次實現(xiàn)了超順磁粒子的線性組裝。通過調(diào)節(jié)磁性納米粒子在溶液中的濃度，一維結(jié)構(gòu)的寬度可以在160nm到1060nm之間調(diào)控。當(dāng)磁性納米線在磁場內(nèi)與磁場方向形成不同角度時，它的磁化強度會不同，利用這種磁各向異性能實現(xiàn)對磁場方向的感知從而實現(xiàn)定位。

以上研究工作已發(fā)表學(xué)術(shù)論文18篇，包括國際期刊《自然·通訊》（Nature Communications）和《先進材料》（Advanced Materials）等，相關(guān)工作被國際同行關(guān)注，并被《自然》（Nature）等雜志專題報道。

來到北京航空航天大學(xué)后，姜翔宇將目光投向了觸覺傳感器。“我研究觸覺傳感器，是因為目前高性能的工業(yè)機床、包括人工智能在內(nèi)的各種與日常生活相關(guān)的服務(wù)設(shè)施，如手機、電腦、自動柜員機、家用電器等，以及娛樂、教育的媒介載體等紛紛開始了‘觸覺革命’，研究起了觸覺傳感器。”

觸覺傳感器以信號傳導(dǎo)的形式將觸覺信號轉(zhuǎn)換為電信號，能實現(xiàn)觸覺信息的快速精確傳導(dǎo)，在人體臨床診斷、健康評估、健康監(jiān)控、虛擬電子、柔性觸摸屏、服務(wù)機器人等領(lǐng)域擁有很大的應(yīng)用潛力。柔性觸覺傳感器為感知外界物體提供可靠的信息，如外物的尺寸、形狀、紋理等特性，還能提供安全和友好的交互體驗，類似于人類皮膚的功能，因此也被稱為電子皮膚。

在姜翔宇看來，傳統(tǒng)的觸覺傳感器微型化效果比較差，一般都是做膜或者大塊的點陣，這些影響了觸覺的精度，“你看人類手指上的皮膚，它的傳感單元是非常小的，一個手指的指尖上就有上萬個”。而他利用浸潤性原理可實現(xiàn)對無機粒子、有機小分子、聚合物等物質(zhì)的微納米尺度一維結(jié)構(gòu)構(gòu)筑，形成高靈敏小體積的傳感器部件，因此他在這個方向上有著巨大的優(yōu)勢。

如今，傳感器的微型化已經(jīng)成為未來發(fā)展的主要趨勢，面對時代的潮流，姜翔宇選擇融入潮流，向著傳感器微型化領(lǐng)域發(fā)展。他現(xiàn)階段的工作主要是利用柔性材料包覆光信號或者電信號材料，做成一個復(fù)合型器件，然后用他們開發(fā)的方法將復(fù)合型器件做成較小的陣列，再通過壓力對電流或者熒光產(chǎn)生的影響，做相關(guān)的檢測。“目前還在實驗室階段，還沒有把它器件化。下一步是想將它器件化，最終的目標(biāo)當(dāng)然是實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，做出能在現(xiàn)實中應(yīng)用的產(chǎn)品。”姜翔宇對未來充滿了信心。

育人

姜翔宇成為一名大學(xué)教師已滿3年，對如何更好地教書育人，他在慢慢摸索。他記得江雷院士是如何帶學(xué)生的，“有一次他教育我說，你不要覺得我老罵你，不罵學(xué)生，因為學(xué)生都是可以帶出來的，如果學(xué)生不好，通常是你帶得有問題，所以我一定只罵你，不會去罵學(xué)生。”姜翔宇十分認(rèn)同江雷院士的觀點，他能體會到學(xué)生在剛上研究生的時候，對科研并不了解，會迷茫，需要有人引導(dǎo)。

在引導(dǎo)的過程中，作為老師一定要考慮教學(xué)的方式有沒有問題。“因為有的學(xué)生一點就通，有的學(xué)生思路慢一點，這個時候就需要老師來調(diào)整教學(xué)的方式，而不是去埋怨學(xué)生。”面對現(xiàn)在的學(xué)生，姜翔宇清楚地認(rèn)識到，學(xué)生的視野開闊，想法很多，作為老師，他主要的任務(wù)是把握大的思想和方向不跑偏，其他的都以鼓勵為主，只要有想法就大膽去試，給學(xué)生提供試錯的機會。

姜翔宇尤其鼓勵學(xué)生向權(quán)威期刊投稿，他認(rèn)為，不以文章論英雄，但一定要去投稿。因為投稿提供了一次寶貴的機會，讓領(lǐng)域內(nèi)的專家審讀文章，并給出意見，這些意見往往都是非常重要的，會讓學(xué)生意識到文章存在哪些問題，得到相應(yīng)的提升。

不僅如此，姜翔宇在必要的科研指導(dǎo)以外，每周都會與學(xué)生溝通一到兩次關(guān)于生活、思想等方面遇到的問題，了解他們的實際困難和思想包袱，及時地為他們答疑解惑，讓他們可以放下負(fù)擔(dān)，專心科研工作，并定期組織課題組內(nèi)的討論活動，不僅僅是科研方面的探討，也包括興趣愛好、家庭生活等各方面的溝通與交流。

面對未來，姜翔宇清楚地感受到觸覺傳感器的無窮潛力，所以他將在觸覺傳感領(lǐng)域持續(xù)深耕。“我堅持做傳感器已經(jīng)快10年了，自認(rèn)為還算是比較能堅持的人，希望在下一個10年，做出新的更好的成果。”姜翔宇給未來的自己，定下了目標(biāo)。