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陈海荣:探索纳米机器人的未来

来源:  发布时间:2022-06-27

王艳敏

 

 

1959年,诺贝尔奖得主、理论物理学家理查德·费曼最早提出了纳米技术,他曾设想未来纳米级微型机器人将会用于治疗人体疾病。1966年,科幻电影《奇妙旅程》(Fantastic Voyage)讲述了5名美国医生被缩小至微米尺度,进入病人体内实施血管手术进行治疗的故事。费曼的设想和科幻电影都寄托了人类将微纳米机器人技术用于人类疾病诊断和治疗的迫切渴望。

直到20世纪90年代,随着半导体工业、微纳米加工工艺的发展,微纳米机器人才得以真正发展起来。目前,微纳米机器人正在颠覆着生物医药领域的发展,但要真正实现在医疗场景的落地还有很多技术上的困难。宁波大学机械工程与力学学院副教授陈海荣,面对微纳机器人的技术困难,通过合成所需的新型功能材料和制作新型功能器件的方式,正在探索能够让微纳米机器人真正实现落地应用的方法。

 

得遇恩师

 

2005年秋天,陈海荣成了南京航空航天大学飞行器设计与工程专业的大一新生。为什么选择飞行器设计与工程专业?他说因为这是南京航空航天大学最好的专业之一。大学4年,陈海荣过得平淡但充实。他的专业课成绩很好;课余时间,他还担任中山陵的导游,丰富着自己的人生阅历。

在南京航空航天大学里,对陈海荣来说最重要的人一定是他当时的导师——裘进浩教授。正是因为参与了裘进浩教授的国家自然科学基金面上项目,陈海荣得以踏入科研的大门,他的专业由飞行器设计转变为工程力学,并在裘进浩教授的影响下,开始了对智能材料与纳米定位技术的研究。

裘进浩教授教导学生的方式与众不同。研究生期间,他放心大胆地让陈海荣去买一台十几万元的纳米级定位平台,“那个时候十几万算很贵的价格,就怕自己买错了”。为此,陈海荣前后调研了整整半年的时间,充分了解了纳米级定位平台的机理、材质、传感器等,最终确定了购买的具体型号。“这件事情对我最大的影响就是,不管是研究的理论还是设备,都要充分地了解,这样才能进一步认识研究领域。虽然一切从零开始,但收获特别大,对我来说是一个非常好的研究训练。”

硕士毕业后,陈海荣进入中国电力科学研究院所属的新能源研究所工作,但工作一年半后,他发现自己最感兴趣的还是不断探索新的东西,而陈海荣首先想到的,就是读博做研究。“我考虑了大半年的时间决定辞职,最初父母不是很理解,我花了很大的力气和他们解释,后来他们都很支持我。”

下定决心要攻读博士学位后,陈海荣开始认真挑选自己感兴趣的课题组,投递简历。在裘进浩教授的帮助下,陈海荣与日本信州大学的倪庆清教授取得了联系,与其讨论与商议后,决定前往日本信州大学攻读博士学位,并在倪庆清教授的指导下,转向了复合材料研究领域。陈海荣说起选择材料方向的原因,硕士期间,他利用课题组做出的执行器进行相关应用研究,但由于他不懂材料,对执行器的性能无法把控,这让陈海荣感觉很被动。“比如说我懂材料,那么如果现在的材料性不能满足我的研究要求,我就可以研发一种新的材料,做成我想要的器件,满足我的实验要求。”2015年春天,陈海荣前往日本信州大学,拉开新的研究序幕。

 

终有所成

 

刚去日本时,陈海荣还不会说日语,好在课堂上主要用英语沟通交流,于是他在繁忙的课业之余抽时间学习日语,留学生活逐渐进入了一种稳定的状态,但困难也随之而来。“我是机械类专业出身的,对材料一窍不通,第一次合成复合材料花了大概两个月,但最后什么也没做出来,做了个寂寞。”陈海荣调侃地说道。

因为之前没有学过任何关于材料的知识,对陈海荣来说,一切都是从头开始。于是他从网上搜索下载了各种英文或者中文的材料学视频,开始疯狂地补课。什么是高分子材料,怎样溶解材料,有哪些有机溶剂,制备材料的温度如何,搅拌的速度有什么影响,真空条件怎么做……陈海荣像海绵一样吸入着各种各样的材料知识。“在充分了解之后,我又开始了新一轮的材料制备,这次花了大概半年的时间,成功合成了复合材料。”收获的成就感,陈海荣现在还能回忆起来。

在日本留学期间,陈海荣每年都会参加学术会议并作学术报告,如日本复合材料学会、亚洲—澳大利亚复合材料会议等。“我很乐意参加大型学术会议,这对研究人员的眼界和研究思路是很有帮助的,可以了解世界同行都在做什么,大家都在做什么样的研究。”陈海荣表示,虽然他与许多学者的研究方向不一样,但对方的想法还是会对他的研究带来启发。

3年半的博士生涯一晃而过,陈海荣成长为了独当一面的科研工作者,他继续留在信州大学从事博士后工作,担任兼职讲师。博士期间,陈海荣的研究主要集中在柔性智能复合材料、柔性微型器件上。他开发了具有双重智能属性的复合材料PZT/SMPU,这一材料形状恢复率稳定在94%以上,可以避免以往压电复合材料分层,提高结构适应性;他与同事合作研发的PZT/SMPU智能织物,能够将人体活动的机械能转化为电能,可为小型便携式电子设备供电;他建立了形状记忆复合材料的分子机理,揭示了其微观机制无法解释现象的原因,并通过实验结果证明了这一分子机理的结论。除此之外,他还研究了一种柔性纳米定位执行器,可以防止生物物体在微/纳米操作过程中受到刚性机械手(如探针)的机械损伤。

陈海荣在智能复合材料领域进行了深入的探索,取得了不错的成绩,他想将所学回报给国家。尽管新冠肺炎疫情的蔓延让陈海荣的归途变得不太确定,但他没有太多犹豫,立刻打点行装,在20204月回到了阔别5年的祖国。

 

笃行致远

 

来到宁波大学,陈海荣对未来的规划逐渐明晰。具体来说,为了进一步深化研究,他将致力于制造自供能微/纳米机器人和可穿戴装备的研究。

“虽然如何为微/纳米机器人提供持续的动力是一个不小的挑战,但研究自供能微/纳米机器人仍然将是我未来的主要研究方向。”在陈海荣的规划中,他将和他的团队致力于开发相应的微/纳能量收集器、微/纳执行器和微/纳传感器,然后进行集成,制造出能够执行特定任务的自供能微/纳机器人,服务于智能医疗。“加强原创性引领性医疗装备攻关,加强临床应用创新研究,加快智能医疗装备发展,也是目前国家正在倡导的,我也想为此尽一份力。”陈海荣如是说。

而陈海荣的另一个方向是可穿戴装备,他想通过制备智能纤维,编织成能够检测人体状态相应参数的智能织物。“在未来,可穿戴设备有望实现对人体健康状态的实时检测。”在陈海荣的理想设定中,人们无须等到体检时就可以发现自身的健康问题,让患者尽早发现健康隐患,早日治愈,提高人们生活的健康水平和幸福感。

在陈海荣的研究之外,他想得最多的是如何更好地教授学生。“我做的是基础研究,所以我总是跟他们说,你们出成果的速度可能会比别人慢,但你们不要去跟别人比较,踏踏实实看文献,做实验,写论文,一定会有所收获。”除此之外,陈海荣也非常注重实验室的工作氛围,“我希望实验室的氛围能尽量轻松一些,学生不管说得对还是错,我都鼓励他们发表自己的观点。因为学习有一个过程,哪怕他们一开始的想法可能是错的,我也鼓励他们说,鼓励学生发挥他们的创造力。”

站在新的起点上,陈海荣认为,充分发挥自己的力量,探索能让微/纳米机器人落地应用的方法,是他当前最重要的任务。“虽然我知道这个过程肯定没有那么顺利,但我一定会坚持走下去,不辜负国家的期待。”

(责编:苏寒山)


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2022年7月

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