過去十幾年，香港理工大學(xué)機(jī)械工程系教授王鉆開一直在思索一個(gè)問題——如何讓物體表面實(shí)現(xiàn)自清潔功能。例如我國(guó)西部的太陽能板蒙塵后性能會(huì)大打折扣，而當(dāng)?shù)厝彼纸o清潔工作增加了難度。如果太陽能板能自己變干凈，那該多好。

有趣的是，受蜜蜂的啟發(fā)，王鉆開終于將這個(gè)想法落地了。王鉆開團(tuán)隊(duì)與中山大學(xué)先進(jìn)制造學(xué)院副教授吳嘉寧合作，構(gòu)建出一款彈性仿生剛度梯度彈射器，并開發(fā)出仿生機(jī)器人，能與太陽能板相結(jié)合形成自清潔系統(tǒng)。

近日，相關(guān)研究論文發(fā)表于《自然-納米技術(shù)》。

一把神奇的“梳子”

對(duì)大自然有著細(xì)膩觀察力的王鉆開，在小蜜蜂身上捕捉到一個(gè)神奇的現(xiàn)象。

很多昆蟲的前肢上都有一把“梳子”，例如螞蟻用“梳子”清潔完觸角后，會(huì)使用口器對(duì)“梳子”進(jìn)行清潔，以便下一次使用，而蜜蜂卻很少有清潔“梳子”的行為。蜜蜂在無數(shù)花朵上停留采集花蜜和花粉，雖然經(jīng)常用這把“梳子”清潔觸角，但不用清理“梳子”便可立馬飛向下一朵花繼續(xù)工作。

“我們懷疑蜜蜂有自清潔的本領(lǐng)?！闭撐耐ㄓ嵶髡咄蹉@開對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說。但蜜蜂太小了，僅靠肉眼觀察很難窺其真諦。于是，他們進(jìn)一步做微觀表征，用高速攝像機(jī)拍下蜜蜂清潔觸角的過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蜜蜂前肢上的“梳子”刷完觸角后，粘在上面的顆粒會(huì)瞬間被彈出去。

“這一切發(fā)生在幾毫秒之內(nèi)，顆粒是以很高的加速度彈出去的，因此我們猜測(cè)蜜蜂的自清潔能力是利用了一種彈射機(jī)制，而非重力作用下的自由落體運(yùn)動(dòng)?！闭撐牡谝蛔髡摺⑾愀鄢鞘写髮W(xué)機(jī)械工程系博士張威在接受采訪時(shí)說。

研究人員進(jìn)一步揭示其機(jī)理發(fā)現(xiàn)，“梳子”由很多梳毛組成，每根梳毛長(zhǎng)約38微米，上面有跨越近兩個(gè)數(shù)量級(jí)的剛度梯度，其尖端是軟的，但到根部逐漸變硬。當(dāng)刷觸角時(shí)，“梳子”彎曲變形儲(chǔ)存彈性能量，那些精妙的剛度梯度結(jié)構(gòu)可增大彈性能量的儲(chǔ)存，加速?gòu)椥阅艿尼尫?，縮短能量“爆發(fā)”的時(shí)間，產(chǎn)生并輸出更大的慣性力，以克服黏附力，將花粉和灰塵顆粒飛速?gòu)棾鋈ァ?

破解彈射機(jī)制后，王鉆開團(tuán)隊(duì)要做的就是把設(shè)計(jì)如此精妙的微觀結(jié)構(gòu)在宏觀層面上實(shí)現(xiàn)。而要提高清潔效率，就需要設(shè)計(jì)類似的剛度梯度。這一點(diǎn)十分困難。

一般的材料都是同質(zhì)的，研究團(tuán)隊(duì)嘗試了多種方法，經(jīng)歷了多次失敗后才讓材料最終實(shí)現(xiàn)了漸變，并制造出仿生剛度梯度彈射器，其楊氏模量從尖端的2兆帕逐漸增加到根部的150兆帕，能真正實(shí)現(xiàn)“居塵不染塵”。

在此基礎(chǔ)上，他們還開發(fā)出自清潔機(jī)器人。很多戶外大型基礎(chǔ)設(shè)施都受灰塵的困擾，維護(hù)所需成本頗高，如果能在這些設(shè)施上布置自清潔機(jī)器人，便可一勞永逸。比如在太陽能板上安裝自清潔機(jī)器人后，既省成本，還可長(zhǎng)期維持表面清潔，保障穩(wěn)定的電能供應(yīng)。

這樣的設(shè)計(jì)思路也為生物材料、功率調(diào)制以及能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域的研究提供了重要參考。

一滴水逆轉(zhuǎn)科研生涯王鉆開已連續(xù)兩年入選科睿唯安全球高被引科學(xué)家。而在十幾年前，導(dǎo)師曾對(duì)他說：“你不適合讀博，也不適合做科研?！?

2003年，本可以在國(guó)內(nèi)碩博連讀的他，選擇出國(guó)深造，拿到了美國(guó)波士頓大學(xué)的錄取通知書。

當(dāng)時(shí)，王鉆開覺得，微電子代表著先進(jìn)科學(xué)的方向，是時(shí)髦專業(yè)，也好找工作。于是在第一學(xué)期，他選的都是射頻電路、集成電路等和所在機(jī)械系不太相關(guān)的課程。由于英語聽力存在短板，再加上此前從未接觸過這些課程內(nèi)容，王鉆開幾次考試成績(jī)都不理想。

因?yàn)閷W(xué)習(xí)達(dá)不到要求，導(dǎo)師讓他換課題組，相當(dāng)于被“開除”了。很快，王鉆開轉(zhuǎn)到一位新入職的年輕老師組里，成為其第一名博士生。但新導(dǎo)師安排的課題是用納米壓痕測(cè)量水凝膠的力學(xué)性能，這讓好不容易從機(jī)械轉(zhuǎn)到微電子的王鉆開大失動(dòng)力。于是，眼高手低的他自作主張做起了別的課題，由于實(shí)驗(yàn)?zāi)芰μ?，幾乎毫無進(jìn)展。

實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)陋、設(shè)備不齊全，這讓曾在國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工作過的王鉆開有了很大的心理落差，產(chǎn)生了消極怠工的情緒。不久后，王鉆開又被新導(dǎo)師“掃地出門”。

但他心有不甘，又給多國(guó)高校發(fā)出上百封申請(qǐng)信，最終申請(qǐng)到美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院教授Nikhil Koratkar2004年秋季的博士。

一年半換了3個(gè)實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)歷一連串打擊的王鉆開變得敏感，很害怕再次被“開除”。在高壓的籠罩下，王鉆開各方面都表現(xiàn)不佳，課題也止步不前，這又讓導(dǎo)師產(chǎn)生了攆人的想法。

眼看著剛剛打開的窗戶又要關(guān)閉，王鉆開提醒自己一定不要再次錯(cuò)失機(jī)會(huì)。

一次偶然的機(jī)會(huì)，王鉆開從本校材料系獲得了一些碳納米管樣品。他本能地將一滴水放在碳納米管表面，小水珠呈現(xiàn)出荷葉上的球狀，格外晶瑩剔透。這種現(xiàn)象叫荷葉效應(yīng)，雖然已有人在該領(lǐng)域做出開創(chuàng)性研究，但對(duì)王鉆開來說卻是第一次接觸到。

“我在液滴上加了兩伏電壓，液滴完全鋪開并浸潤(rùn)到碳納米管里面。當(dāng)我把反向電壓加到100伏時(shí)，液滴卻沒有任何變化。我立即把這一現(xiàn)象告訴了導(dǎo)師，他興奮極了，甚至認(rèn)為這個(gè)發(fā)現(xiàn)可以發(fā)《自然》?！蓖蹉@開說。

一滴水讓王鉆開的科研生涯發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，他重拾信心和動(dòng)力，全身心撲在科研上，最終這項(xiàng)研究發(fā)表在《納米快報(bào)》上，并獲得了“全美杰出材料研究生銀獎(jiǎng)”和“國(guó)家優(yōu)秀自費(fèi)留學(xué)生獎(jiǎng)”，甚至還被諾貝爾獎(jiǎng)得主K. S. Novoselov在其《自然》論文中引用。

一個(gè)相對(duì)“冷門”領(lǐng)域的回暖博士順利畢業(yè)后，王鉆開并未留在美國(guó)發(fā)展，而是選擇回國(guó)。

2009年底，王鉆開入職香港城市大學(xué)，拿到20萬元港幣的啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)，當(dāng)時(shí)他的實(shí)驗(yàn)室不足10平方米?！拜氜D(zhuǎn)美國(guó)3個(gè)實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)歷，讓我明白，科研并不僅僅是拼設(shè)備，更多的是思想的競(jìng)賽，用最少的錢產(chǎn)出更多的新知識(shí)、新思想、新體系。”王鉆開說。

對(duì)科研的重新認(rèn)知也讓他不再抵觸老本行。機(jī)械工程已有200多年歷史，是一個(gè)相對(duì)“冷門”的學(xué)科，這個(gè)領(lǐng)域幾乎與頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊絕緣。王鉆開說：“做‘冷門’研究，難度系數(shù)更大。但‘風(fēng)浪越大，魚越貴’，我很想把這樣一個(gè)相對(duì)‘冷門’的領(lǐng)域復(fù)活?！?

這些年，王鉆開真的把這門古老的學(xué)科做出了新花樣。

2014年，他發(fā)現(xiàn)一滴水能呈餅狀從表面彈起，并揭示了液體和固體相互接觸最短時(shí)間的極限，這一研究成果入選吉尼斯世界紀(jì)錄，也被《自然-物理學(xué)》評(píng)為過去15年15篇代表論文之一。

2020年，他發(fā)現(xiàn)一滴水可以發(fā)電，一滴雨水的動(dòng)能可點(diǎn)亮100個(gè)小LED燈，這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然》。這一年，他獲得了“科學(xué)探索獎(jiǎng)”。

2022年，他加入了香港理工大學(xué)。

如今，王鉆開在《自然》《科學(xué)》等期刊發(fā)表論文200余篇，被引1.9萬多次。在被大家“吐槽”為“天坑”之一的機(jī)械工程專業(yè)，王鉆開用實(shí)際行動(dòng)和杰出成績(jī)扭轉(zhuǎn)了“口碑”，讓其魅力和前景被更多人看到，“冷門”逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁衢T”。