作者:徐可莹 来源:科学网微信公众号 发布时间:2023/10/25 20:45:24
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“贪玩”博后一周解决行业难题:读论文限制了我的想象力

 

用一句话来概括今年33岁的翟译晨,大概是“讲不了脱口秀的手艺人不是好科研人员”。

他风趣健谈、贪玩爱折腾,却成功凭借天马行空的想象力和过人的动手能力,在一周内解决了行业顽固难题;几乎不读论文,博士期间却能轻松在Advanced Materials这样的行业顶级期刊上发表文章。

近日,不走寻常路的翟译晨又迎来了自己的新作品——一种创新型一体化3D打印气动自动抓手,相关论文作为封面文章发表在Science Robotics上。

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翟译晨发表在Science Robotics上的成果

很难想象,这位来自美国加利福尼亚大学圣迭戈分校的博士后,还是网络红人“手工耿”的铁粉。事实上,翟译晨做科研也的确有股“手工耿”的味儿——实验设备经常是自己拼凑和搭建的,设计方案也常常源自想象力。他把自己这种工作风格形容为“作坊式”科研,相比那些典型的科研方式,翟译晨的路子,更类似于一种“艺术创作”。

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翟译晨,受访者供图

1个星期,解决行业顽固难题

翟译晨的“开挂”故事要从2021年春天讲起。

当时,他还在加利福尼亚大学圣迭戈分校读博,即将于两个月后转入同校Michael T. Tolley教授的实验室做博士后。还没正式入职,他就接到了来自未来老板的一项紧急任务。

看到邮件时,翟译晨正在夏威夷度假(顺便起草一篇新的论文)。慌忙回到学校后,他才知道是要为巴斯夫公司的一个赞助项目“救场”。

巴斯夫公司要求Tolley教授在一周后的项目年会上汇报最初研究提案的完成度,即用3D打印方法制作一个软体气动制动器。然而,项目之前近一年的研究并没有实现可以展示的成品。于是,这口“锅”被顺到了翟译晨头上。

这个任务看起来简单,但在此之前,还几乎无人实现过具有实用价值的3D打印成品。

“3D打印软体机器人的基本方法是靠一个很小的喷头往外挤出已经烧热融化的‘TPU’膏状材料,材料一层一层往上叠加成型。在这个过程中,加工路径是不连续的,其中的回抽和快速移动很容易在侧壁上产生缝隙。一旦气从缝隙中漏出去,做成的气动机器人部件肯定就不工作了。”翟译晨解释道。

在以往的很多研究中,解决漏气的思路非常直接——把壁加厚。尽管达到了气密效果,但由于TPU材料的硬度本来就比硅胶高一个数量级,这样做出的制动器又厚又硬,甚至难以活动,通常需要加超高的气压才能勉强达到一定的弯曲效果。

但翟译晨非常自信,他当即夸下海口:“我两天就把它解决掉!”

结果啪啪打脸。他足足花了近一个星期时间,做了几十次测试,才终于在临近汇报前想出可行的解决方案。

“这个方法简单来形容,就像是我们小时候常画的 ‘一笔画’,专业术语叫作欧拉路径。”

翟译晨将3D打印的模型全部设计为“欧拉路径”,即每一层的喷头打印时都靠“一笔画”的路径来完成运行,一气呵成,没有停顿,没有回抽,这样就避免了接缝处的漏气现象。

与纸上作画不同,一个气动制动器内部包含多个互联结构,要使喷头在每一层的高度上都一笔完成需要打印的图形,再加上里面管路的干扰,设计和测试过程就变得异常复杂。这也是翟译晨最终没有用两天,而是用一周才交上答卷的原因。

借助这个“一笔画”的创新方法,他很快做出了第一个既柔软又气密的3D打印制动器,向Tolley教授和赞助商证明了他足够胜任这份研究工作。

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翟译晨“救场”的制动器

做出制动器不久后,翟译晨很快又做好了3D打印的气动阀门。有一天,他把几个打印好的制动器和阀门用管路来回拼接着测试,意外得到了一个自动抓手。

这种软体气动自动抓手最初是由美国哈佛大学教授George Whitesides的实验室设计的,Whitesides被尊为软体机器人领域的开创者。但他的设计是靠复杂的硅胶铸造工艺实现的,一般用户不容易复制。更关键的是,这种抓手“拿得起”,却“放不下”,使用者需要手动关闭气源才能使抓手松开物体。

翟译晨想,有什么办法能让这种抓手在不影响抓取、不影响保持、不影响搬运的情况下实现“放下”这个动作呢?

又是灵机一动:嗯,把它横过来不就行了!

于是,翟译晨在抓取器后面做了一个重力阀门,在前部抓手与后部把手的位置之间设计了一些气管连接。抓手横过来后,在重力的作用下,气管会被折弯,总气源随之被关闭,抓手里剩余的压缩空气在废气孔中放出,便轻松完成“放下”的动作。这时,抓手就又可以为下一次的抓取做准备了。

这就是本次发表在Science Robotics上的工作。

自动抓手抓网球

“有了这项技术,每个人都能在自己家里做个抓娃娃机。”翟译晨开玩笑道。不过他也坦言,目前这项技术还存在一些有待优化的问题。

尽管离完美还差一点,翟译晨他们还是在世界上首次完成了一体化3D打印自动抓取器的开创性工作。他们在论文中这样描述研究的意义:“各个领域的人都能从中受益。”

“我的老板Michael,以及他以前的同事和导师,很多年来都想做这样一件事:通过一体化3D打印的方法制造出自动机器人,应用在生活中的方方面面。没想到被我稀里糊涂地实现了,真赶巧了。”翟译晨呵呵笑道。

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翟译晨和Tolley教授

不读论文,爱玩也能出奇迹

在导师和同门眼中,翟译晨一直不是那种循规蹈矩的年轻人。他大部分时间都没“泡”在实验室,反而开着车到处“疯玩”。美国有63个国家公园,翟译晨前后刷过24个。

“我的灵感,基本都不是从实验室得来的,而是在外面玩的时候想出来的。所谓‘醉翁之意不在酒,在乎山水之间也’。”翟译晨不好意思地笑了。

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爱旅行的翟译晨

这种性格甚至可以追溯至孩童时代。从小到大,翟译晨都热衷于在课堂上搞些不务正业的奇思妙想。

比如,花好几个晚自习的时间,在不用胶水的情况下将一块废纸板改造成一个拉环式自动开盖的垃圾桶,向路过的同学展示“译晨手造”;趁自习课老师在讲桌上低头批改作业的间隙,和同桌用零食袋中的干燥剂造出一团水蒸气,令后排同学吃惊......但最让老师“又爱又恨”的是,翟译晨从不好好写作业,成绩却很不错。

一路玩上来的翟译晨大学时参加了各种学生社团,结交了一群动手能力极强的好友。靠着电子制作的经历,本科毕业后,他顺利申请到美国史蒂文斯理工学院的研究生offer。硕士毕业后又于2016年前往加利福尼亚大学圣迭戈分校电子工程专业攻读博士学位。

作为一名博士生,翟译晨因不读论文而与众不同。但在他看来,“尽信书,则不如无书”,大部分论文对他的实验都不具有太多的参考意义。

“比如在我们领域,有引用比较高的paper提出了一些理论上潜在的应用,之后的很多paper也学着往这些潜在应用上靠,但实际上并没有做成可行的成品,这样研究的思路就被局限住了。做研究不是为了更容易发paper,不能人云亦云。”

翟译晨更希望能找到一种新办法,设计一种新构型,开辟一个新东西,像古时候的鲁班和墨子那样。

当然了,他也补充道:“这并不是说我的成果不需要严谨的科学测量和实验数据,最后呈现结果的时候也需要有很多定量的数据。但我这个工作的核心方法就是在想象中重新设计出一个能实现的机制。这和传统的科学研究很不一样,更像一个设计师。”

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翟译晨在实验室

尽管平时不怎么读论文,但论文以外的灵感素材,翟译晨“啥都看”,比如哔哩哔哩等国内外视频网站。他还是网络红人“手工耿”的铁粉,喜欢看这些民间发明家鼓捣些令人惊叹的玩意儿。为了丰富背景知识,他还会看一些专业的工程技术视频,遇到自己不熟悉的原理,会专门收集资料去学。

翟译晨记得刚进实验室时,有位经常愁眉苦脸的师兄总是数落他:“别看你现在活得这么滋润,我现在的状态就是你一年后的状态。”博士毕业后,翟译晨再和这位 “预言家”聊起来,对方却忍不住感慨:“看来你的心态真跟我不一样。

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翟译晨在作报告

“因为我对博士学位没有执念。”他笑道,“家里也不给我压力。我爸整天跟我说,拿不到学位也没事,回国一样有出路。那时候我还很生气:我看起来像拿不到学位的人吗?”翟译晨故作严肃,重演了自己当时的表情,样子很顽皮。

他说,不追求功利性的结果,就不会有太多压力。很多同学致力于 “把这个东西做到能发表”,所以特别焦虑。而对翟译晨来说,“把事情干漂亮”才是最大的乐趣。

论文DOI:

10.1126/scirobotics.adg3792

10.1002/adma.202002541


 
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