在科研的快乐中迎接属于你的契机——一位机械专业博士生导师的科研心得
The following article is from 中国机械工程学会 Author 王钻开
在创新之前，大多数青年要经历迷茫和挫败，保持好奇和希望，找到科研生涯中那4个“P”，你也可以在自己的专业中聚焦历史和极限，做出有特色的成果！——小编鸡汤 |
编者按：2021年11月7日中国科协为第四届中国科协青年托举工程入选者量身打造了“2021青年前沿科技论坛”，中国机械工程学会牵头组织其分论坛：先进制造与智能交通，并邀请了香港城市大学的王钻开教授做视频报告，王教授在报告中介绍了他的求学和科研经历，以及团队科研方向和成果。其中所展现的机械学科与多学科融合的新视野给予青年学者以极大的启发。现将报告整理成文字以飨青年读者。
杨振宁先生曾经说过一句话让我印象深刻：我们在科研路上有两个关键时期，第一个是在读博士期间，第二个是在博士毕业之后任教的前几年。我对这句话深有同感。
每一个科研工作者都有科研的梦，我们期望创造力源源不断、论文和各种指标都一帆风顺。但现实是残酷的，成功和失败之间的实力差距其实非常小，但是小的差距却被无限放大。我想以我和我的科研团队的经历向大家介绍怎样将成功和失败之间的差距缩小。
2000年我从吉林大学机械学院以年级第一的成绩本科毕业，当时我认为机械是天底下最难的专业，所以放弃了保研的机会，考入中科院上海微系统与信息技术所去学习MEMS专业，我硕士研究生毕业后申请美国留学的时候又回到了机械专业，进而2009年回到香港城市大学机械工程系任教。正是美国留学时经历的人生起伏，改变了我之前对机械学科的认知：机械是最难的专业，也是非常枯燥的专业。在美国留学期间，我周转于三个实验室，在最困难的时候，接二连三地被三个导师开除。那时的我，处于以下状态：
沉浸在自己的世界里（trust your advisor）
依赖于设备（trust your vision）
沉浸于文献（trust your action）
沉浸于一个狭小的视角（multidisciplinary）
在被第三位老师警告开除后，有一天晚上，我把一滴水放到碳纳米管的表面，发现水滴像在荷叶上一样，有超疏水效应。当时我本能地加了电压。于是有趣的现象出现了：加正向电压时，哪怕只有一点几伏，水滴就可以完全浸润。而加反向电压时，哪怕加到200V，水滴也没有任何的变化。
我当时就把这个发现告诉了刚刚开除我的那位导师。导师听后非常兴奋，导师说这个工作成果可以投在Nature上。在2005年的时候，咱们国家每年没有几篇论文能发表在Nature上，即使发表，也多为新材料相关的论文。所以我对如此简单的工作投到Nature发表表示极大的怀疑。虽然结果是差一点被Nature Materials接收，最后发表在NanoLetters上，但这件事让我改变了对老师的那种狭隘的看法。
我不禁问：为什么老师当时能敏锐地看到这个研究可以投Nature这样顶级期刊？答案是，当时我的视角是局限在机械工程领域这个专业的水平，而我的导师的思维方式除了在本专业领域外，同时还看向了纵轴的区间，就是下图中跨专业的区间，导师把本专业的深度和跨专业的广度有机地结合在一起。于是就把一个简单的工作从图中空白的空间转向了Nature/Science series空间。
从那之后我开始反思自己的一些工作和对科研的认识。
2009年回到香港工作后，我逐渐认识到，年轻的老师只要找到4个“P”就可以做出自己的成绩：第一，找到合适的学生（People to pursue: passionate, proactive, perseverant）；第二，找到合适的课题(Project to prosper: potential, promising, planned)；第三，找到合适的平台(Platform to perform: powerful, perfect, precise)；第四，对工作的快感(Pleasure to be paid off)。最后一个也是比较重要的一个，因为它是胶水、粘结剂，将另外3个“P”有机地粘合在一起。
截至目前，大约有20个博士生从我这里毕业了，以前面7位为例，其中两位入选了“青年千人”。这7位学生里只有两位本科毕业于“211”的大学，其余都是普通大学，但是他们照样做得非常好。这归因于上述这4个“P”的作用。
我们实验室主要以机械制造为基础，以仿生为手段，将研究聚焦于表界面，尤其是面向能源、环境、热能的一些领域。近几年做了表界面流体的输运及控制、超疏水、流体二极管的形态研究，下一步将做其应用。比如传热，80%的工业过程都和热有关系，我们研究解决高效率的发电，解决能源紧张的问题。下面举例说明我们怎样从机械的角度去展开课题。如何把思维从传统的机械嫁接到一个跨学科的空间。
多聚焦极限和历史（competitive advantage）
多聚焦热点（comparative advantage）
核心在于冲突（conflict）
首先，怎么聚焦极限和历史问题。
在表面科学历史中，200年前的杨氏方程，然后是Wenzel、Cassie模型，荷叶效应等。在超疏水表面，液滴可以弹性弹起，该弹跳过程中的固液之间的接触时间是个常数，也就是说存在着一个物理极限。我们当时用机械的线切割机加工样品，打破了液体和固体接触时间的极限，将接触时间大大缩短。就像博尔特跑百米，他跑9秒58，那么我们现在“跑”百米用2秒完成，我们在实际应用中未必真正的需要2秒，但是这代表人类对表面科学的一个认知，也就是说液体和固体到底最短的接触时间多少？这就是我们做的比较特色的一个工作。
然后，在此基础上，我们又做了一系列的固液接触的研究工作。所有的工作不涉及新材料、化学，都是简单的机械加工和对物理现象的理解。机械作为一个传统的科学，有时候感觉它跟顶级期刊绝缘，但通过以上例子可以看到，也并不遥远。
后来，我们思考怎样在超亲水表面上实现液体非常快的长距离自发流动。我们在2017年提出拓扑流体二级管的概念。通过MEMS加工，实现液体自发的长距离的传输。今年，我们通过3D打印加工了亚毫米结构，首次实现液体自动的、自主的、有选择的铺展方向。在过去的200年，大家都认为液体是无法实现在接触表面自主铺展的；在1992年Science报道第一篇液体爬坡单向运动之后，就有了一系列液体单向运动的研究。其实这与液体本身的性质没什么关系，所以我们实验室就通过模仿南洋杉结构首次实现了在液体表面，不同的液体可以有不同的铺展方向。工作非常简单，但得到英国泰晤士报的专门报道。
我们进一步聚焦极限问题。在常规超疏水的表面上，很难控制液体。我们和邓旭老师合作，通过电荷密度的梯度，实现了液体在超疏水表面的有效控制。我们进一步聚焦历史，两年前，我们实现了一个小液滴点亮100小LED灯，常规的发电设计会聚焦表面效应，而我们通过借鉴三极管开发了类三极管设计，大大突破了以往能量转化率低的瓶颈，提高了3000倍的转化效率。研究成果于2020年在Nature上发表。
美国名校的系主任在美国物理学会的网站上表示，我们的工作是两个效应的叠加：3800年前的疏水效应和2600年前的静电效应。这个工作之后，我们做的宏观集成系统可以实现收集雨滴、波浪来发电。这个效应是普适的，如果没有水，可以先从空气中收集水再来发电。这个三极管体效应的发电机不仅仅是基于固液效应的，它还适用于液液界面。在液体和液体的摩擦过程中也可以发电，尤其面向海洋的应用。我们实现了减阻、防腐蚀的同时还发电。这个效应还适用固固发电，截至目前固固发电的瞬间功率密度可以到10MW/m2。
综上，在发电领域，其实我们做的工作很少，但是都非常有特色。一句话概括，我们提出的普适的晶体管体效应发电机，它不光可以收集雨滴还有雾、连续的水流，从微纳米系统到宏观的系统，可以做成开环的系统也可以是闭环的系统，可以固液接触发电，也可以液液接触发电。
我们再进一步聚焦极限和历史。前几年的核电事件是因为在高温下，热量无法由海水散出去导致的。这个效应是1756年一个医生（Leidenfrost）提出的。这个现象的结果是常规环境下，是无法在350°以上用水散热的。之后265年里没有人能解决这个问题，今天我们团队完全解决了这个问题。我们通过机械线切割机加工了独特的样品，实现了高温下散热。它可以用在发电机、核电站、航空设备，尤其极端环境下。
在聚焦热点和多学科交叉方面，我们关注固液界面的黏附，提出了原创性的概念：水下可逆黏附。工作非常简单，就用温度的响应来实现。前几年机器人研究火热的时候，我们团队巧妙地提出了超疏水和软体机器人技术结合，实现机器人爬坡、载重、水面上运动。
怎样聚焦冲突呢？我的第一个博士生陈雪梅在十年前读博士的时候，巧妙地解决了滴状传热领域的一个大问题：在冷凝传热中，只超疏水也不行，只超亲水也不行，但通过巧妙的设计，通过MEMS的腐蚀实现了亲水和超疏水的结合，也就实现了膜状冷凝和滴状冷凝的结合，大大提高传热效率。
2020年，我们和邓旭老师合作，开发了超耐磨的超疏水材料。
由此可以看到，我们今天的一些好一点成果都是因为没有把视角仅仅局限在机械行业。机械是我们的核心，我们的研究都是基于机械加工来实现，融合流体、热力学、机器人，甚至化学等一些交叉学科的知识，让我们的思维得到跃升。这个过程需要积累，但终有一天适应你的契机和时刻就可能发生！
王钻开教授
香港城市大学机械工程系讲座教授，工学院副院长，香港青年科学院创始成员。2000、2003 和2008年分别从吉林大学、中国科学院上海微系统与信息技术研究所和美国伦斯勒理工学院获得本科、硕士和博士学位，2009年在美国哥伦比亚大学进行博士后研究。研究领域是仿生机械，在Nature、Science等杂志发表论文170篇。荣获教育部杰出留学生奖（2007）、美国材料学会（MRS）杰出研究生银奖（2007）、国际仿生学会杰出青年奖（2016）、香港城市大学杰出研究奖（2017）、第35届世界文化理事会青年特别嘉奖（2018）、科学探索奖（2020）等。指导的研究生荣获MRS杰出研究生银奖（2015，2019）、2016年MRS杰出研究生金奖、香港青年科学家奖（2016，2019）、上银优秀机械博士论文优秀奖（2016）和银奖（2019）。
编辑：金程 校对：张彤
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