作者:王兆昱 来源:科学网微信公众号 发布时间:2023/9/22 20:34:09
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作者仅3人!山西小伙“打破常规”收获一篇Science

 

文 | 《中国科学报》见习记者 王兆昱

这是山西小伙高天的“巴黎读博记”:2019年春,28岁的他只身来到法国巴黎,第一眼就爱上了这座城市。他进入著名的巴黎高等物理化工学院(ESPCI-Paris)PMMH实验室,遇上了两位不摆架子的“朋友型”导师。

今年8月,高天以第一作者身份在Science上发表论文。据高天回顾,从idea的产生到论文的发表,仅用不到两年时间。

Science论文《可实现绝对高斯变形的气动细胞》

高天告诉《中国科学报》,他很喜欢在巴黎读博的日子。或许是因为这座城市有与他相似的特质:松弛、自由、浪漫、包容。他酷爱篮球,经常和一帮朋友约球;他喜爱艺术,科研之余和导师一起操办艺术展,花费了大量精力。

至于论文为何能在Science上发表,高天的回答是:“对于这个问题,我给不出答案,我只是在做自己感兴趣的研究罢了。”

高天

受玉米叶启发,打破常规

这篇于8月24日发表在Science上的论文,介绍了一种“打破常规”的新设计:受到玉米等单子叶植物泡状细胞的启发,高天和他的导师们设计出气动高斯细胞,可将平面转化为具有不同高斯曲率的形状。

要了解该设计是如何“打破常规”的,就要首先了解“常规”。

正如数学家高斯在他的开创性定理中所指出的那样,同时向两个方向弯曲一块平板,需要改变平面内的距离。通常情况下,将一块平板变为曲面物体,会导致出现褶皱或切割;反之,若将曲面材料转化为一个平面,亦是如此。除非高斯曲率守恒,例如将一张纸转变为圆柱体或圆锥体。

“你可以想象,拿一张A4纸去覆盖一个球体,无论怎样都会产生褶皱。或者想象,将地球展开为一张平面地图,各大陆的形状会不可避免地被扭曲。”高天向记者形象地解释着。

几何原理上的局限,导致了物理科学的局限。目前,大部分传统的柔性机器人原理是让一块平板在一个方向上发生弯曲,但无法实现更复杂的形状。这就限制了柔性机器人的某些功能,比如运输流体。

“同时控制弯曲和面内变形仍然是领域内的重要挑战。”高天告诉《中国科学报》,近年来,在同行的探索之下,新出现了可编程化平面内扭曲的结构材料,能实现高斯曲率的改变,但还需要对局部弯曲进行额外控制,才能精确设置最终形状。

面对这个复杂的几何问题,从小在中国山西长大的高天,从童年记忆中的玉米地里找到了答案。

高天想起的,是玉米地中的一个常见现象:在天气干燥炎热时,玉米的叶子会向内卷曲,让叶面尽可能少地暴露在阳光下,从而减少水分流失;而在环境湿度大时,玉米的叶子又因含水量增加而舒展开来。

这是由于玉米叶中泡状细胞(bulliform cell)的作用,这些细胞就像充气气球,可以根据含水量的多少进行膨胀和收缩,从而使叶片向平面内展开或收缩。除了玉米,其他单子叶植物也有同样的功能。

带着从玉米叶中汲取的灵感,高天设计出仿生的气动高斯细胞,来组成平板的内部结构。充气后,该结构会自动变形成目标壳体形状。

更重要的是,该结构可快速驱动且具有可控刚度,并且使用成本较低的消费级材料制造。这为新一代柔性机器人的设计开辟了道路。

朋友型导师,“他们不在意投什么期刊”

除了高天,这篇论文还有两位作者:José Bico和Benoît Roman,他们就是高天在法国的两位博士生导师。

José Bico是论文的第二作者,他目前任ESPCI大学的流体力学教授,曾是麻省理工学院非牛顿流体实验室的博士后及访问学者。

José Bico

Benoît Roman则是论文的通讯作者,除了在PMMH实验室工作,他还是法国国家科学研究中心(CNRS)的高级研究员。

Benoît Roman

高天评价自己的两位导师为朋友型导师,他告诉《中国科学报》:“比起严格的上下级关系,他们更像是我的长辈和朋友。他们从不会严格控制我的工作时间,而是更希望我可以很好地平衡生活和工作。工作之余,我们经常一起出去吃饭、喝茶、聊天,不存在等级观念和年龄代沟。”

“整个实验室都给人一种温暖舒适、松弛有度的感觉。你会感受到独属于法国人的科研节奏。”高天向记者介绍道。

高天口中这个“很舒服”的实验室,是隶属于ESPCI Paris的PMMH实验室。作为居里夫妇的母校,ESPCI Paris大学是世界顶尖的科研院校,尤其在物理和化学领域,更是排名全法第一。

而PMMH实验室主打的就是一个“创新”,实验室的研究总是以全新的想法作为起始,鼓励新的想法、开发新的技术路线。高天的两位导师José Bico和Benoît Roman也沿袭了这种创新的思维方式,鼓励学生“最大限度地自由探索,不断发掘最新的可能性以及个人特点”。

高天(右一)Benoît Roman(右二)

就这样,给予学生最大的自由度,与学生处成亦师亦友的关系,学生自然会信任导师。在2021年有了初始想法后,高天立即找两位导师讨论,得到了两位导师的肯定。2022年,高天就完成了整个实验。

今年4月,高天将论文投给了Science。投稿和发表的过程相当顺利,3位审稿人都很喜欢这篇论文。8月,论文正式发表。

“我的导师并不在意我投什么期刊,对他们而言,Science和其他期刊是一样的。”高天笑着说,“我的导师更关注研究本身的质量和创新性,希望大家能一直做自己感兴趣的研究。”

“非典型”理工男

在接受《中国科学报》采访时,高天已经离开法国巴黎,来到了人生的下一站——美国的科罗拉多大学博尔德分校 (CU-Boulder),在Paul M. Rady机械工程系François Barthelat教授实验室做博士后。

然而,在巴黎的那些岁月仍然让高天怀念,并在潜移默化中影响了他的气质。

与高天对话,可以明显感受到他“非典型”理工男的气质:他热爱人文艺术,在巴黎结交了许多从事艺术设计类工作的朋友,业余时经常去看艺术展。他还喜欢巴黎的人文环境——虽然街头“比较脏乱”,但其城市特质在于包容多元,不失为一种美感。

参观建筑设计的高天(左四)

高天坚信,理工科和人文艺术一定是相通的。一方面,理工科的研究成果可以应用于人文艺术,比如物理力学的成果可以应用于时装设计、建筑设计、装置艺术等;而另一方面,硬科学的创新又离不开“像艺术家般”丰富的想象力。

不仅喜欢看展,高天还喜欢办展。在巴黎读博期间,他参与过3个艺术展的筹办:埃菲尔铁塔130周年纪念展、巴黎美院艺术家朋友的毕业设计展,以及伦敦艺术双年展。

2022年11月,高天与他的两位法国导师一起,筹办“伦敦艺术双年展”。当时这篇Science论文正在撰写中,但高天仍然选择暂时全身心投入到艺术展的筹办上。虽然艺术展拖慢了论文的进程,但高天回想起那段时间,还是觉得“很值”。

办展中的高天

在高天的身上,好似看不到论文焦虑、年龄焦虑。他坦言:“科研工作中肯定存在压力,而我的两位法国导师给我带来了好的影响,即摆脱一些焦虑和浮躁的东西。”

对于未来的去向,高天持开放态度:“未来的可能性很多。我希望留在理工科领域继续开展研究工作,去探索新的想法、开发新的技术。当然,如果去艺术设计领域从事科技艺术工作,应该是另一种很酷的体验。”

论文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi2997

*图片均为受访者提供

 
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