作者:韩扬眉 来源:科学网微信公号 发布时间:2022/10/12 19:18:15
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做跟随者没有出路!“科学探索奖”得主范智勇:“天坑”不坑

 

文 |《中国科学报》记者 韩扬眉

始终保持孩童般的想象力和好奇心,并非易事。

不论是童年时,在鸽子、百灵、狗甚至蛇等各色宠物的包围圈里,废寝忘食地阅读《少年科学画报》上连载的科幻故事;还是许多年后迷上“仿生学”,步步为营把科幻中的设定变为现实——范智勇一直都有种充满“孩子气”的理想主义和探索精神。

2010年,范智勇成为香港科技大学电子与计算机工程系教授,更加广阔的探索空间在他眼前展开。他把目光再次聚焦在从小就热爱的“大自然”中。

萤火虫是如何发光的?蜻蜓的翅膀有什么秘密?章鱼眼睛的结构是什么样的?

“就像小孩子打开了一个糖果盒一样,我发现了一个值得探索、非常丰富的世界。”

作为一名纳米材料科学家,范智勇的实验室不只是在高校的办公楼里,公园里、河岸边、草丛中......鸟飞虫鸣、蛇行鱼跃,都吸引着他驻足观察,那充满好奇的眼睛仿佛初识万物。

“仿生”,成为范智勇科学世界再也绕不开的关键词。

范智勇

道法自然,打造“超级人眼”

在自然界生物体的各种结构中,范智勇最痴迷于“眼睛”。

这源于他自己的经历。小学一年级时,范智勇眼睛就有了200度近视,加之整个读书阶段用眼较多,大学时他的近视度数飙升近1000度,给学习生活造成了极大不便。为此,父母和他想了各种各样的办法。

与近视“搏斗”的过程中,范智勇成了半个“眼睛专家”。直到在研究生阶段,他了解到准分子激光手术。手术后,视力终于得到了基本恢复。

但对眼睛的“执念”保留了下来。

看科幻电影和小说时,他就非常关注机器人的“眼睛”。在早些年的电影《机器人总动员》《变形金刚》中,主角们的眼睛往往只是简单的成像设备或者稍微精巧些的“类人眼”。而近年来随着技术进步,各种各样的赛博格(机械化有机体)英雄层出不穷,他们的眼睛逐渐打破了机械和生命的界限,表现出越来越精妙的结构和强大的功能,比如迅速扫描并且分析周边环境的视觉增益能力。

沉浸在迷人科幻世界的同时,一个想法在范智勇的脑海中挥之不去:仿生眼除了应用于机器人,是否能够帮助盲人重见光明呢?

在此之前,不是没有科学家想过这一点,但由于研究难度大、手术费用高、商业选择有限等问题,相关的研究成果和治疗方案常常让人望而却步。

范智勇知难不退。从研究生开始,他的研究方向就是光电传感器,而光电传感器中最高级别的版本,正是类似人眼的仿生光电传感器件,最精密,难度也最大。

2010年,范智勇在香港科技大学建立了自己的实验室,他决定,要从自然界寻找答案。

“动物的眼睛是经过亿万年演化,在与自然环境的周旋中千锤百炼出的艺术品。”范智勇做了大量的调查研究:鹰眼的分辨率极高,才在翱翔高空时看清地面的猎物;蜻蜓的超微复眼形成了360度无死角全面视觉;螳螂虾的眼睛不仅能看到红外光和紫外光,甚至还能看到偏振光……

最终,是章鱼的眼睛给了他灵感。

章鱼的眼睛结构与人类极为相似,而且比人类进化得更为完善。为了满足在黑暗深海中捕捉猎物的视觉需求,章鱼的眼睛远比陆地上的人更加犀利,其差异关键在于视网膜结构。

与章鱼的视网膜结构相比,人类的刚好是“反过来”的,即视神经纤维在前,视网膜感光细胞在后,这不仅造成了视野的盲区,还增加了眼底出血、视网膜脱落等风险。

而章鱼眼睛视网膜结构恰恰相反,这意味着它们能没有任何“障碍”地,更快、更全面地看到事物。

或许,仿生章鱼眼睛能超越人眼!这个念头让范智勇激动不已。

当时他的一名博士生,如今已经是上海交通大学副教授的顾磊磊,基于纳米线阵列组装出一个平面图像传感器。所谓纳米线阵列,就是由无数根纳米线排成的整齐有序的结构,放大几万倍来看,有点像刷子上一行行一列列的刷毛,可以应用于能源、电子器件、生物化学等诸多领域。

接下来的发现更让他们兴奋:眼睛视网膜中的感光细胞也呈阵列分布,其结构与纳米线阵列很像。

范智勇开始“天马行空”地思考:“能否把现有的二维器件转变成三维结构,开发出纳米线阵列仿生视网膜,进而再构造出仿生眼?”

在他的设想里,纳米线感光器可直接被连接至视障患者眼球后的神经线,将讯号传送至大脑,这样的“眼睛”将会像章鱼眼一样没有视觉盲点。

原理很简单,实现则很难。

过去,所有的器件、芯片、工艺都是平面的,但人眼是球形的,视网膜是半球面的,这种结构非常难以加工,需要极度精巧的技术。落实到具体工作中,是前所未有的挑战。

“从二维到三维、从三维到球形或半球形都是难以跨越的鸿沟。”范智勇说。

真正的跨越源自打破常规。

终于,他们找到了一个较为完美的解决办法:将柔软的金属铝冲压为半球状,采用一种“阳极氧化”的技术,将其转变为相应形状的多孔氧化铝纳米模板,之后让纳米线“长”在纳米孔道内,从而形成高密度、半球状分布的半导体纳米线阵列,用以模仿核心视网膜,之后配以相关新型材料和技术,成功制备出球形电化学仿生眼,而这种独特的设计具有比人眼更好的分辨率视觉的潜力。

2020年5月,这一成果在《自然》杂志发表,受到了国内外的广泛关注,同行称其为“过去几十年来仿生眼开发的重要突破”。媒体的用语更加引人注目——“超级人眼”!

仿生眼研究小分队

而最让范智勇感到高兴和欣慰的是,他不断收到来自全球各地盲人患者的邮件和电话咨询。

“我们非常希望这项技术能够真正帮助盲人恢复视觉、重见光明。”自那时起,驱动范智勇的已远远不止最初的好奇。一种责任感,在他心底迅速滋长。

他的研究方向,与“仿生”再也分不开了。循着“道法自然”的“哲学”,范智勇基于多年在纳米传感器件的积累,设计制造了可准确识别多种气味的仿生嗅觉系统,开发了世界领先的高性能化学传感器和系统,打破了国际垄断。

“或许有一天,我也可以导演一部科幻电影”

仿生,是探索自然与人类现实世界彼此交融的一座“桥梁”。范智勇沉浸于仿生世界,或许可以从他是个超级狂热的“科幻迷”讲起。

小时候,范智勇最喜欢作家叶永烈所写的科幻故事,后来又爱上了《终结者》《星际迷航》《三体》……“这些故事我能讲个三天三夜。”

回顾幼年时,大多数记忆是混沌的,唯独有一幕场景格外清晰:幼儿园的墙上张贴了一张海报,一个小朋友穿着宇航服,坐在火箭上,背景是星辰大海。

一个孩子注视着这幅画,久久不肯离开。那时的他,连“科幻”二字都没有听说过,却觉得身体里好像有个开关被打开了。

再长大点,范智勇不满足于想象中的“赛博朋克”,开始拆卸收音机、对讲机、遥控汽车、航模飞机......在机械和电子线路组装中建构想象。

范智勇家楼下有一所中学,学校里的航模小组定期会开展活动,每次听到马达的轰鸣声,他总会第一时间跑下楼,观看模型飞机飞行。后来,他便想自己动手搭建飞机,父母给他买了很多纸模型。一年级时,他便把一年级到五年级的航模全部做完了。

在拆搭航模的过程中,范智勇开始对其中的电子驱动原件充满兴趣。“我常拉着父母去商店买电子元件,那时候我还没有商店柜台高,售货员很吃惊,不肯卖给我。”后来,范智勇列出单子,夹杂着汉字与拼音,让父母帮忙采购。再后来,他与售货员“混熟”了,就自己去买。

整个成长过程中,父母给了他自由宽松、没有“鸡娃”的成长环境。考多少分、做多少题都没有关系,兴趣,始终是他成长中最大的驱动力。

直到现在,他依然会“天马行空地想一些奇怪的东西”:怎样做反重力引擎、虫洞的形成过程、如何从一个空间穿越至另一个空间……

“或许有一天,我自己也可以导演一个科幻电影。”范智勇笑道。

后来,范智勇逐渐意识到,科幻作品的魅力不仅仅在于令人眼花缭乱的未来技术,更在于朴素的哲学意义。

范智勇说:“科幻激发了人们的想象力,实现幻想中的一些科学技术也许会成为一部分人(包括我自己)的执念。科学史上有相当一部分科技从科幻走向了现实,这会对创作科幻形成正反馈。人类文明就是不断地在幻想和现实的推动中向前迈进。幻想是一种高级的思维活动,科幻更是一种以科学知识为基础的高级思维活动,是人类与地球上其他物种根本性的区别。科学家的使命和任务是不断探索揭示大自然奥秘,而我所欣赏的科学家是有浪漫想象力的科学家。”

在那些通过科幻与科技建立懵懂链接的瞬间,范智勇养成了凡事“自主探索”的习惯。多年后的今天,范智勇获得了“科学探索奖”。仿佛他一直以来的行事准则,得到了一个非常具象化的肯定。

他说,探索意味着自由生长。

超快存储器研究小分队

“自由让我更加独立”

范智勇说自己是幸运的,父母包容、师长指导、爱人支持,10多年的求学历程中,自己始终是自由的,得以保有无疆界的想象,和无拘束的独立。

把范智勇带入材料科学和纳米科学世界的人,是复旦大学前校长、我国真空科学的开拓者之一、著名纳米科学家华中一教授。1998年,范智勇以笔试第一名的成绩进入复旦大学材料系,成为华中一和陈国荣教授门下的一名研究生。

“陈老师属于点子非常多的人,在选题和实践中,给我了很大的自由度。”读研究生的3年间,范智勇在导师支持下,自主开发了扫描隧道显微镜、真空薄膜沉积厚度监控仪、光谱仪,还申请了多个专利。他毕业多年以后,这几台仪器仍在实验室里发挥着作用。

在复旦大学的岁月,范智勇越发对纳米科技充满热情,跟好友们谈起未来发展时,他总是坚定地说,“我将来一定要去研究纳米科学!”

硕士研究生毕业后,范智勇辗转加入美国加州大学欧文分校材料和生物系卢嘉教授团队,攻读博士学位。卢嘉教授家学深厚,其祖父为复旦大学卢鹤绂教授,被誉为“中国核能之父”。

当时,卢嘉在加州大学欧文分校的课题组正处在初创阶段,卢嘉和范智勇白手起家,从实验室墙壁刷漆、设备搭建,到材料生长,逐渐建立了一支纳米科技领域颇有影响力的团队。

相比师生关系,二人反倒更像共同创业的“合伙人”。卢嘉给了范智勇自由生长的空间。

完全以兴趣为驱动,范智勇广泛了解国际前沿,以氧化物这种多功能材料作为起点,在纳米材料和器件方面作出了许多重要工作,比如:在国际上首次开展氧化锌纳米线三极管研究。

那依然是一段快乐的时光,卢嘉常带着范智勇参与学术交流,与教授们一起吃饭、谈笑风生。

“他们非常专注,尽管在吃饭,但讨论科学时特别认真,说起未来能做什么,感觉眼睛里都在发光,像是信仰一样。”那是第一次,范智勇感受到原来顶尖科学家是这样的。

说起某种材料时,科学家有时会将它们类比成香蕉、洋葱。“翻译成中文会觉得幼稚,但讲出来就觉得很好笑。那时候我意识到科学也有好玩的一面,教授也不都是古板、学究式的,当教授是一个有趣的事情。”

这些看似不起眼的瞬间串联在一起,坚定了范智勇走学术道路的决心。

2006年博士毕业后,范智勇加入了加州大学伯克利分校Ali Javey教授课题组,开始探索纳米材料的集成和大规模器件应用,这依然是一个新成立的团队。

两次参与初创团队的经历,让范智勇得到了很好的锻炼。“所以我独立工作能力是杠杠的。”范智勇笑着说。

在国外的那些年,他首创的纳米线印刷的方法,至今还被许多国内外研究人员所使用。2009年他在《自然•材料》上首次报道了基于三维纳米线的柔性太阳能电池,成果后来演变为硅谷一家初创企业。

2015年访问美国哈佛大学

“我很努力,也很随性”

“您就没有不快乐的时候吗?”范智勇的讲述,总是自然而然地流露出一份愉悦感,让人不禁想要这样问他。

“我还是比较注重劳逸结合,不喜欢把自己搞得非常累,这样大脑就失去活力了。”范智勇说,自己不仅是个工作努力的人,也是个比较随性的人。

遇到喜欢的课题,范智勇可以没日没夜地投入,没有紧急工作时,他也比较“闲散”,追一追历史剧、科幻剧、幽默剧等。

不过,多数时候他最喜欢的还是古典音乐,压力大时会弹弹钢琴,比如《梦中的婚礼》《爱的纪念》《秋日的私语》等。音乐给了他内心最深的平静。

今年8月,范智勇参加“科学探索奖”终审答辩时,有些紧张,恰好当时所住酒店大堂角落处有一架钢琴。答辩前一天夜晚,等“酒吧”关了灯,范智勇走过去,缓缓坐下、掀开琴盖,一个个音符随他指尖跳动。随着旋律流淌,人也渐渐松弛下来。

踢足球也是他缓解压力的方式,在香港科技大学有一支足球队,范智勇每周踢两次,一次与同事踢,一次与学生踢。他认为足球也是一门艺术,也像一道好菜,每每攻入惊世骇俗的进球都可以回味好几天。

他也不太容易被焦虑感染。很多人把“生化环材”称作“四大天坑”,范智勇则不以为然。

“如果你热爱生活,有一颗好奇心,就不会觉得这是个‘坑’,它们与生活中息息相关,却又充满着太多的未知。”

有一次,范智勇出差在飞机上正准备着邀请报告,邻座一位华南理工大学的大学生看到是关于材料学科的内容,便主动搭话,一番闲聊后他问道:“老师,高分子化学将来出路怎么办?会不会不好就业?”

范智勇放下手中的报告,重复着他常说的话:国家面临着多种技术被“卡脖子”的困境。在芯片的关键技术光刻胶中,高分子化学能发挥重要作用。“你如果能把光刻胶的问题解决了,就是一名英雄了。”他对这名学生说。

范智勇没有过多时间去纠结那些“坑”不“坑”的问题,这个领域里有太多迷人的挑战,在不断挑动着他的心弦。

仿生如何真正帮助盲人恢复视觉、大脑如何理解光电信号,钙钛矿材料稳定性如何解决、纳米材料科学如何更好服务国家和社会等……

同时,作为“自由探索”的受益者,范智勇更关心的是,如何借助大湾区优势,形成一种机制,鼓励支持青年科学家,开展原创性、挑战性和风险较高的研究,他呼吁加强粤港合作,促进创新要素的自由流动。

2018年,范智勇在广东省成立了产业化高性能仿生气体传感器的初创企业,目标是解决高性能传感器的国产替代,并培育出世界领先的传感器企业。

“我们面对的这个时代,做跟随者已经没有出路,是时候考虑做引领者了。这意味着我们要进入真正的‘无人区’,最大程度激发青年人的创造力。”说这话时,范智勇的眼睛里,同时有孩童般的热情和开拓者的坚毅。

 
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