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6年未接过横向课题，北航教授终于实现一个“全球之最”

科学网 · 公众号 · 科学 · 2024-09-24 20:10

正文

文 | 《中国科学报》记者张晴丹

本科选专业失误，与向往的研究领域失之交臂；在读研过程中又突然换了方向……漆明净的求学生涯经历了两次波折。

但他没有因为这些障碍而放弃科研的梦想。从对所选专业的抵触到逐渐喜爱，从研究新方向的迷茫到越来越坚信成功在望，在一次又一次的尝试中，漆明净找到了自己最擅长、最感兴趣的领域。在北京航空航天大学（以下简称北航）读博期间，他就实现了扑翼结构的飞行。

回到北航任教后，漆明净带着学生申威、彭谨哲继续逐梦，完成博士阶段未能实现的研究课题。这一坚持又是6年。两名学生也从本科开始研究直到博士快毕业。他们攻克重重难关，在2024年研制出全球最小最轻、自然光驱动的静电飞行器。

这是国内首个在Nature上发表的飞行器成果，完全由北航科研团队自主研发。这也是两位第一作者——博士生申威和彭谨哲科研生涯中发表的第一篇论文。

漆明净（右）带着学生做实验

巴掌大小，比一个纸飞机还轻

随着使用场景的增加，微型飞行器逐渐获得广泛应用。然而这类传统微型飞行器的续航一直是个问题。例如当微型飞行器的重量小于10克时，飞行时间通常不超过10分钟，有时甚至低于1分钟。频繁更换电池导致许多场景里的需求无法满足。

“我们要解决的是能源动力问题。因尺寸效应，我们不能简单地把大型发动机微型化，这样发热问题太严重，必须要找到新的、颠覆性的原理，才有可能解决目前微型飞行器续航太短的难题。”论文通讯作者、北航教授漆明净在接受《中国科学报》采访时表示。

通过非常简单的公式推导，就会发现在电压很高、电流很低的情况下，可以从根本上解决发热问题，也特别适用于微型飞行器。而高压静电现象恰好拥有这些特性。于是他们独辟蹊径，想运用静电驱动原理去做航空发动机。

这一思路最早可以追溯到2010年。漆明净的导师闫晓军那时在美国加州大学伯克利分校的Lin Lab实验室访问，他与实验室成员一起发现微梁在稳态电场中有大幅振动的现象。当时现场有来自其他高校传感器学科的研究人员，他们认为这个现象不该出现，肯定是哪里出错了。

2011年，读研近两年时，漆明净接到了导师交给他的新任务——研究微梁静电颤振现象。“当时在一个方向已经研究两年了，突然又要换到另一个方向，我内心是抵触的，谁也不想跳出舒适区去折腾。但导师坚持让我试试再说，我也不好违拗。通过研究一根微梁的振动现象最终做出静电飞行器，我完全不敢想，更别说能发顶刊了。”彼时的漆明净对于此事心里完全没底。

这是国内外都无人开辟的领域，甚至跨越了力学、电学、控制学和机器人等多个学科，其难度可想而知。不过，经过几个月的精细计算和初步试验后，尚在硕士阶段的漆明净便改变了之前的看法。他坚定地认为这个方向大有可为，甚至已经想象到未来有一天静电飞行器飞上天的场景。于是他在当年便提交了转博申请，下定决心继续研究这个难题。

“只有学过航空的人才能敏锐地感觉到，这个现象与机翼颤动现象类似，蕴含了巨大能量，且梁本身柔性很好而不会被破坏。这就意味着，在宏观结构中振动不可控、会导致灾难性后果且需要避免的颤振现象，在微小结构中反而变得可控且可以利用了！或许我们可以利用这个现象，研制一款全新的航空发动机。”漆明净说。

漆明净在微梁两端加上蜜蜂翅膀制成扑翼结构，再通过特殊的结构设计让翅膀产生一定的运动轨迹，使其遵循昆虫飞行的高升力机理。经历无数次失败后，某一天晚上，漆明净继续调整参数，并将扑翼结构置于静电场中，它一下就飞起来了。这让漆明净激动得叫了起来。当时，他的女朋友在一旁不解地问道：“这现象真有这么了不起？”“因为这就证明了静电飞行器的可行性，同时也意味着我可以顺利博士毕业了。”漆明净说。

漆明净的博士论文虽然实现了扑翼结构的起飞，验证了微梁颤振现象可以产生升力、用于制作航空发动机，但由于当时不能带多少载荷，离静电飞行器研制成功尚有一段距离。

不过，得益于攻读博士期间的研究成果，漆明净获得了留学基金委“未来科学家”项目的资助，前往加州大学伯克利分校Lin Lab实验室公派留学。结束两年半的博士后研究后，2018年，他回到北航带团队继续科研攻关。

为了解决飞行器整机无法起飞的问题，他们将往复振动的静电微梁改成了连续旋转的静电电机，实现了静电飞行器的首次整机起飞。

“在输出功率相同的情况下，相比传统电磁电机，我们的静电电机不发热、效率高、功耗极低。不过静电电机需要千伏级高压电流来驱动，这就需要一个升压电路。像我们常用的电蚊拍里就有升压电路，可它很重，无法用在微型飞行器上。”漆明净介绍。

于是，科研团队就研制了千伏级超轻质高压电源。大约1克的升压电路，便能将锂电池或者太阳能电池输出的3到5伏低压直流电转换为4000到9000伏的高压直流电。相比美国斯坦福大学研发的同类技术，他们的升压效率提高了92%。

有了微型静电电机和千伏级超轻质高压电源的双重加持，科研团队最终成功研发出全球最小、最轻的静电飞行器。该飞行器翼展20厘米，只有巴掌大小；重4.21g，比一个纸飞机还轻，就算掉到地上也摔不坏。

“我们的静电飞行器不仅能通过电池飞行更长时间，同时可以在纯自然光照条件下实现‘无限’续航。它的颠覆性在于，通过底层原理创新，使得整机尺寸和重量分别是此前世界最小、最轻太阳能飞行器的1/10和1/600。”漆明净补充道。

未来，这样的静电飞行器会有更广阔的发展前景，可以满足低空、长时间的探测需求。例如，观测一大片地区受灾情况、观察动物迁徙、狭窄空间执行任务等。

多学科拧成一股绳

要想在Nature上发飞行器领域的文章十分困难。历史上，第一项发在Nature上的飞行器成果出自100多年前的莱特兄弟之手。

最近几年微电子、微机电高速发展，也促使飞行器领域的改造赋能更加便捷，但截至目前国际上该领域的Nature文章尚不足10篇。最近的、具有代表性的有两篇。其中一篇是美国麻省理工学院科研团队在2018年发表的大型离子风飞行器的研究论文。其靠电离空气产生升力，进而推动飞行器。

此外，在静电飞行器这项成果发表之前，微型飞行器领域的最佳成果是哈佛大学2019年在Nature发表的仿昆虫飞行器成果，但其局限在于仍需采用三倍于自然光强度的人工光源才能实现持续飞行。“与其相比，我们的静电飞行器仅靠自然光就能实现持续飞行，让微型飞行器的性能再上一个新台阶。按照审稿专家的说法，我们这项研究没有随大流按照仿生学设计微型飞行器，而是将目前技术的最新进展和突破性成果加以整合，打造出了理论上可以一直飞行的‘超级’微型飞行器。”漆明净说。

之所以能做出世界顶尖成果，是因为这是一个非常专注且团结的课题组。“这六年我没有接过一个横向课题，把组里所有的力量集中在一起，分别去攻克力学、电学、控制学等领域的难题。大家相互扶持、合理分工，围绕一个目标，拧成一股绳，共同攻关。”漆明净介绍，他们当时还借用了中国科学院微电子研究所的研究设备。

静电飞行器团队

从0到1的过程总是痛苦难熬的，博士生申威和彭谨哲都经历过一段瓶颈期。

负责研发静电电机的申威在研究升重比时一直难有突破性进展，飞行器总是飞不起来。而且当时受到新冠疫情影响，做实验很不方便，研究几乎停滞不前。申威向漆明净表明想法：“老师，这个研究我已经做了两年多，还是没做出来，我想放弃，换一个方向。”

漆明净很理解学生的困惑，但他坚定地认为这条路走得通。“咱们已经推导过公式，也从底层原理仔细思考过，都没有问题。我们可以再坚持一下，一定会有突破。”在接下来的两个月时间，漆明净比平时更加关注学生的科研进展，更频繁地与其沟通交流，果然守得云开见月明。

而负责研发升压系统的彭谨哲则卡在了跨学科上。他就读的是能源与动力工程学院，非科班出身的他对电路并不熟悉。为了弥补这方面的短板，彭谨哲一方面积极向自动化和电学专业的老师请教，另一方面恶补相关专业知识，从一开始的毫无头绪，慢慢提升到能在电路领域独当一面。

有了团队上下三代人的不懈坚持和努力，才最终将静电驱动原理用于微型飞行器。这篇论文得到了Nature编辑和审稿人的高度评价，文章在第一轮审稿中就被原则性接收，在Nature上线当天，同时获Nature和Science两大顶级期刊官网的首页推荐，受关注度超过了同期90%的Nature成果。

“兴趣是可以培养的”

漆明净长期致力于微型机器人的推进与控制研究，并在Nature、Science Robotics、Nature Communications等高水平期刊发表论文60余篇，授权发明专利20余项。

但鲜为人知的是，他现在所从事的领域并非是最初想选择的。大学选专业时，一次意外的误会改变了他的人生轨迹。

漆明净

“我刚报考北航的时候，深受杨利伟首飞太空的影响，一心想去航天专业。但当年互联网并不发达，高考填志愿的时候对很多专业并不了解。当我看到飞行动力工程专业时，我就理所当然地认为是航天领域，便草率地填报了。”漆明净回忆道。

入学后发现真相的漆明净，因梦想落空，在头一年里情绪很是低迷。“我是想做火箭的，怎么学航空发动机来了？”他在心里反复追问。

但随着学习的深入和心态的调整，漆明净慢慢喜欢上了这个专业。他在导师的建议下，开展静电飞行器的研究。在硕博连读的6年时间里，漆明净对静电飞行器的态度经历了从不敢相信、半信半疑到信心满满的转变，他认为这最终会是一项能发表在Nature上的研究。当学生也同样表现出怀疑时，漆明净便不断鼓励他们，给他们打气。

有了当年读博和如今指导博士生的经验后，漆明净经常对学生讲：“当你与导师之间发生意见分歧时，你表达完自己的观点，如果导师还是坚持己见的话，你最好选择相信导师的眼光。毕竟导师的视野更开阔、目光更加长远。”

虽然漆明净在本科专业选择上有过一次失误，在读研过程中也换了一次方向，但他认为一切都是最好的安排。

“做科研不可能一成不变。我们总会因为一些机缘巧合，从事一些原本自己未曾预料的研究方向。但我发现，兴趣爱好是可以培养出来的。我在本科专业选择和读研方向选择上，有两次重大转折。每一次都是全新的开始，需要大量时间去学习和积累，逐步取得成绩。我常跟学生说，人生不如意事常八九，重要的是我们要享受这个过程所带来的不同体验。更重要的是，遇到困难后不要退缩，要相信坚持的力量，最终结果一定不会差。”漆明净说。

参考链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07609-4

*本文图片皆由受访者提供

编辑 | 方圆

排版 | 郭刚

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