本刊记者  徐 赛

　　
　　
　　试想一下，如果你身处一个满是蚊子的房间，你会躲到哪里呢？相信很多人都会回答：角落。显而易见，只要躲在角落里，身后就不会有蚊子。1998年，一个更有趣的实验出现了，这个实验与“蚊子事件”有着异曲同工之处。
　　实验中，几位科学家先将一个直径只有0.474微米大的“大球”放到一个微型的梨形容器里，然后又将很多更小的球(半径0.042微米)放了进去。这时候，大球基本上只能待在边上了。这个结果是如何发生的呢？
　　大体的情况就是如此：大球为了躲避小球“蚊子”的“叮咬”而藏在了墙边上。其实，这个实验讨论的物理体系就是属于被称为“软物质”的物理体系。1991年，诺贝尔奖获得者、法国物理学家德热纳在诺贝尔奖颁奖大会上以“软物质”为主题进行演讲，用“软物质”一词概括复杂液体等一类物质，得到了广泛认可。
　　在西安交通大学，同样有一位为“软物质”研究不断努力的青年学者，他就是西安交通大学航天航空学院工程力学系副教授卢同庆，在他身上，也许能看到我国“软物质”研究探索的历程。
　　
软硬碰撞
　　软物质力学、智能柔性材料与结构力学、非线性大变形理论谈到这些词，都能和卢同庆联系到一起。在他看来，在他的科研过程中，不只要重视科研的力度，更要在“柔性”上寻找突破。
　　在工业领域中，多使用“硬”器件的机器，大到汽车、飞机，小到微纳米尺度下的精密仪器，大都是由金属、金属化合物等材料构成的，而探究其实现功能的方式，一般也大都以刚体运动为主。然而，当我们把目光移向自然界，各种动植物要实现其各种复杂的功能，则大都是依靠柔性结构。“像我们的心脏跳动、耳朵能听到各种各样的声音，或者植物可吸水，很多种现象都能说明。”卢同庆说道。
　　虽然人类对自然界的探索可以追溯到很远，用硬器件模仿自然界动植物各种功能也已经取得很大进展，但是距离模仿自然界柔性结构本身的复杂功能还有很大差距。这也一直是卢同庆想要攻破的科学“瓶颈”。
　　“我们通常把在外界激励下能够实现某些功能性响应的柔性材料统称为活性软材料，或活性软物质，活性软材料在受到复杂外载时的响应行为和能量转化机理是我们的主要研究方向。”卢同庆介绍，要知道，想要制作柔性仿生器件，新型活性软材料的开发是前提，“而且发掘材料性能潜力和实现其功能性也是我们的追求目标”。在这个涉及到物理、化学、力学、材料、生命科学等多个学科的课题上，卢同庆脚踏实地，一往无前。此外，今年，卢同庆成功入选中国科协青年人才托举工程，更加促使他用实际行动坚定他的科研梦想。
　　
软物质的奥秘
　　“做科学研究，最重要的是一定要有兴趣，对自己的研究内容有兴趣才会有动力，才会在科研过程中乐此不疲。”卢同庆抱着这样的科研兴趣，一直在软物质的世界里徜徉，也在多个项目研究中寻找奥秘。
　　如果时间退回到19世纪，我们会发现一种神奇的现象：电压会使弹性体变形。但遗憾的是，电致变形非常小以致无法得到实际应用。到了2000年，人们发现了一类介电高弹体材料具有良好的弹性和很高的介电系数，在电压下可以产生100%的面积变形，国际上公认其是仿生肌肉的最佳候选。科学家们却发现一个问题：当用手拉伸一个橡皮筋，可以很容易实现几倍的拉伸变形，但使用电压驱动聚合物，却极难实现。
　　卢同庆与哈佛大学的合作者通过调节机械载荷的施加方式来消除力电失稳，最终实现了电致面积变形400%的惊人结果。“我们的研究为该类材料设计仿生肌肉功能结构的应用提供了理论基础。”与此同时，卢同庆受到水与水蒸气在相同温度下两相共存现象的启发，对介电高弹体管状结构在电压下鼓胀相与未鼓胀相共存的现象进行深入探索。后来，他又在西安交大机械结构强度与振动国家实验室搭建实验平台，最终实现了介电高弹体电致2200%的面积变形，刷新了电致固体变形量的世界纪录。
　　今年，卢同庆继续探索的脚步，把目光转向人体运动柔性俘能装置设计上。在野外环境中，无线网络通信器可以说是“救命神器”，但这种“神器”光电池就占了20%的重量，是个大负担。而人们经常提到的电磁式和压电式的俘能器，也有各种各样的缺点。“但电容式俘能器就不一样了，它具有优异的柔韧性，刚度比肌肉低上百倍，极易拉伸，尤其适用于小载荷大变形环境下的能量收集。”卢同庆介绍。
　　为此，他以人体运动的力学理论为指导，选取如膝关节、肘关节、背包背带等目标运动形式与目标部位，再结合不同类型的人体运动形式，设计符合其运动规律的俘能器布局方案。除此之外，他还通过设计电路、优化力电循环路径等一系列手段提高力电能量转换效率，最终实现对人体各个运动部位所产生能量的系统性收集工作。
　　正所谓，站得高才能看得远。卢同庆在取得的诸多成果的基础上，科研路走得更快更稳了。“活性软物质的本构关系是我的另一个兴趣方向，了解新型功能软材料在复杂外载下的响应规律，也就是本构关系，是固体力学需要解决的基本问题之一。”卢同庆表示。
　　以心脏血管壁材料为例，众所周知，在一个心脏循环过程中，血管壁的刚度决定了循环过程中承受的载荷大小，这与各类心血管疾病问题紧密相关。以往建立的本构关系模型，在表征单轴载荷下的数据吻合的情况下无法同时与双轴载荷下的数据相符。针对这个问题，卢同庆以连续介质理论为基础，建立了新的本构关系，同时采用牛的血管壁进行不同比例的双向加载实验。结果也很令人兴奋：理论预测与实验数据十分吻合。“这是我们首次实现只用一组参数，就可以满足全加载谱范围的实验数据吻合，也使我们对血管壁材料力学行为的认识得到了进一步的深化。”卢同庆补充道。
　　卢同庆的科学之途正以欣欣向荣的发展态势前进，目前，他正在从宏观和微观两个角度研究水凝胶这一类软物质的力学行为。“我认为，做科研打好基础是重中之重，不论是理论工作还是实验工作，基础知识都是最重要的。”卢同庆正在用自己的实际行动，践行着科研之梦。
　　
　　
专家简介：
　　卢同庆，西安交通大学航天航空学院工程力学系副教授，院长助理，陕西省航天结构振动控制工程实验室主任。于2007年和2013年先后获得西安交通大学工程力学学士学位和固体力学博士学位。2010年至2012年在美国哈佛大学工程与应用科学学院学习。主要研究软物质力学、智能柔性材料与结构的力学行为、非线性大变形理论等。目前，发表SCI论文20余篇，包括固体力学旗舰期刊JMPS以及国际知名期刊IJSS，SOFT MATTER, APL等。获第二届中国力学学会托举人才项目资助,第13届国际断裂大会杰出青年最佳论文奖，陕西省优秀博士论文奖。任第八届中国力学学会青年工作委员会委员。