宋延林 · 中国科学院化学研究所研究员
格致论道第93期 | 2023年4月8日 北京
各位朋友大家好！我是宋延林，今天给大家介绍一段盲文印刷的故事。
我来自中国科学院化学研究所。去年（2022年）7月份，我们所的账号在B站上边放了一个盲文印刷的视频。就有学生告诉我，说这已经成了热门，当时播放量达到了300多万。我那时才第一次关注到B站，以前都只是听说，没有真正自己看过。
那么我就看到满屏幕好像都是很乱的字，我问说这是什么？他们说这叫“弹幕”，是B站特有的文化。所以我是去年才跟B站结缘，但是我们跟印刷已经结缘了有将近20年的时间。而了解到盲文这个事，大概是10年前。那时我听到有一个小女孩唱的一首歌，叫《你是我的眼》。我算是一个比较敏感的人，听了这首歌非常受触动，晚上翻来覆去睡不着。“你是我的眼，带我穿越拥挤的人海，带我阅读浩瀚的书海，让世界呈现在我眼前……”晚上睡不着我就在想，怎样能通过我们的工作来帮助这些人？我闭上眼，假设自己是一个盲人，觉得非常可怕，陷在黑暗当中，跟外界好像失去了很多联系。这促使我们想，一定要做点什么事情，能够帮助他们的事。我们首先就想到，盲童受教育，读的书是怎么生产出来的？了解以后才发现，盲童要学习比我们普通人要困难得多。▲ 解放日报-上观新闻：《全国盲文教材在上海这所学校印刷，暑期从未停工》
因为盲文图书的印制非常复杂，是一种专用的技术，包括它的纸张都是自成体系的。通常盲文是通过类似金属板冲压这种方式印制的。盲童到盲校里边，都是老师给他几张纸，叫牛皮纸，其实是一种进口的特种纸，非常昂贵。一张A3的盲文书写纸，大概人民币是1.5元。所以盲文的图书成本非常高昂，相当于普通图书大概15-20倍的价格，这也是影响他们获取知识的一个非常大的瓶颈。像北京、上海城市里边的孩子，差不多每5个孩子才有一本盲文书来读。那我们普通人呢？按现在书籍的发行量，普通人每年有36.5本书可以读，甚至现在大家更多是看手机了。但我们盲童在盲校里边，他们真的是无书可读。所以我们就想，怎么能够通过技术的进步帮助到盲童？▲ 反复使用容易磨损，新书甚至能划伤手指
现在使用这种盲文图书，除了成本高昂，还有其他几个局限。第一个，它只能在这种特种纸上才能实现，换一种其他纸张就不行，更不要说在其他的比如说像塑料薄膜或者是玻璃、陶瓷的表面。第二个，它很容易就被摸平了，特别是如果小朋友手湿了，没擦干就去阅读的话，很可能就把这个字点给摸平了，那么下一个同学读起来就非常困难。另外如果是新书，小朋友皮肤比较娇嫩的话，还会出现被纸张割破这种情况。
还有一个，目前这种金属板冲压或者说拿针刺的方式，它主要能表现文字，但是图形就非常困难，所以就极大地限制了盲童学习过程中知识的获取。因为我们实验室做印刷技术已经做了十几年时间，有一个小的方向专门是做3D打印。所以我们就想，能不能通过打印的方式，控制打印的墨滴，让它精确地成为我们想要的这种盲文的字点。甚至是不是直接就可以用普通的纸、普通的打印机实现这一点？道理实际上很简单，但真正要把它实现其实还是挺困难的一件事。因为把一个墨滴做地非常均匀，特别是一个立体的形貌，还有非常大的挑战。
我们十几年前开始做纳米绿色印刷的时候就立下一个目标，希望能够控制每一个墨滴精确地成型，做世界上“最小的点”“最细的线”“最薄的面”。“点、线、面”是印刷一个图形最基本的单元，我们希望把老祖宗留下的印刷术再次做到世界上最高的精度。但是要实现这个梦想，其实从技术上、从科学上都有非常大的挑战。▲ 咖啡环效应Coffee ring effect
比如说，想把墨点做小，我们就遇到一个科学上非常常见的难题，叫咖啡环效应。一滴咖啡在固体表面，它在干燥过程中会扩散，最后形成一个边缘厚中间薄的不均匀斑点。这个问题表面物理化学家已经研究了很多年，但是没有根本上得到解决。▲ 液滴扩散控制：最小的点
那如果想精确地控制一个墨点的形状，就必须解决这个难题，我们有几位博士生同学前赴后继、专注研究液滴干燥过程中咖啡环效应的解决。最后我们突破了这一点，做到了我们说的世界上最小的点。这不仅在尺寸上有非常大的提高，从原来的微米尺度推进到纳米尺度，也就是比原来的精度提高了1000倍；而且甚至可以精确地控制每一个墨滴里边纳米颗粒的个数，1、2、3、4、5、6……这都是肉眼看不到的。这就从根本上解决了咖啡环效应，而且保证每一个墨点是在高精度下均匀一致的。▲ 瑞利失稳效应Rayleigh instability
第二个难题就是怎么样做世界上最细的线。这又遇到一个科学难题，叫瑞利不稳定性。瑞利是个非常伟大的科学家，得过诺贝尔物理奖。通常大家认为两个墨滴融合形成一条直线的时候，如果你拿放大镜去看，实际上它是形成这种类似于哑铃形或者波浪线的。这是之前印刷界的常态，要实现高精度的、特别是到纳米尺度的印刷，我们就必须抑制瑞利失稳这种现象。▲ 液滴融合控制：最细的线
又是几位博士生同学把这种非常基础的问题从根本上、原理上实现了突破，最后我们做到了世界上最细的线，就像上面图片里边由单纳米颗粒、双纳米颗粒形成的线，并且我们给出了相应的公式。▲ 马拉格尼效应Marangoni effect
第三个就是怎么样做最薄的面。这里边又涉及到一个非常基础的科学问题，叫马拉格尼效应。在溶液干燥过程中，固体的物质怎么迁移、怎么沉积，我们也是从基础的理论出发，对它的规律深入地认识，能够随心所欲去精确控制它的成型。▲ 最薄的面
点、线、面这些基础问题突破后，我们就把传统的印刷术从原来的微米尺度推进到纳米尺度，也就是比原来印刷术的精度提高了1000倍。正好赶上当时3D打印的热潮，所以我们又把这个目标定为“怎么样做世界上最高精度的体”。
之前大家都认为，打印的墨滴一旦脱离打印机的喷孔就失去了控制。就像上面这个图片，几乎没有两个墨滴能形成完全一样形貌的立体结构。就像达芬奇画不出两个一样的鸡蛋，看起来很简单，但是实际上每一个墨滴落在固体表面它最后的形状都是不一样的。
那我们怎么研究呢？我们研究墨滴在不同基材表面、在成型过程中怎样能够精确控制，专业上叫控制气固液三相线动态移动的问题。深入解决这样的一个问题，就让我们能够超越目前国际上公认的难题。▲ 三维结构控制
我们通过对液体干燥过程中它的动态行为的精确控制进行深入研究，保证每一个墨滴在干燥过程中它的大小、尺寸、形貌，甚至取向都可以精确一致。这是一个非常复杂的有理论、有实验的过程。最终结果就是我们点、线、面、体都做到了世界上最高的精度，甚至是超越了几个数量级。这就给打印各种各样精确的立体形貌奠定了一个基础。▲ 左：冲压出的盲文；右：我们打印的微凸起结构
我们能够精确控制每一个墨滴的成型，最后形成我们想要的各种盲文字点，那么它的效果比原来冲压的这种盲文就有非常大的优势。一个是非常圆润，再也不怕把手给割破了，而且再也不怕摸平了。实际上，如果用我们的技术做一本样书是容易的。但我们有几千万弱视人群，要怎么样帮助这么多视力有障碍的朋友？这就需要从实验室走到工厂。第一个问题就是，怎样把墨水做好。刚才说了，我们能够精确地控制墨水干燥过程中的成型问题。但是我们当时想，如果只是印书的话，对他们的帮助其实还有限。比如说他要出门，要坐电梯，电梯里边能不能让他触摸到“我要到几层”。其他场合比如说开门、关门能不能让他们自己掌握相应信息。这就要在不同材料表面都能精确控制墨点的成型，而且能有很高的黏附力，让它不会脱落。所以怎么样在不同表面让这个墨水能够快速地固化，而且能够牢固地黏附，这是我们要研究的墨水开发的问题。▲ 左：喷头堵塞；右：过慢、过快墨滴
墨水这个问题解决后，还有一些非常基础、工业界困扰已久但还没有得到解决的问题。比如说打印时墨滴出来以后，我们认为每个墨滴都是一样的，但是除了刚才说的它可能成型过程中造成形状、大小的差异，还有可能造成所谓的卫星墨滴。
一个墨滴碰撞到固体表面，它会溅射开形成大小不均的斑点，如果这样的情况不能很好地抑制，就很难变成一个成熟的生产工艺。所以我们专门有一个博士生，他的博士论文就专注在卫星墨滴的起因和它的解决方案上。最后我们把这些基础的问题也都从源头得到了解决。▲ 打印控制系统
另外一个就是，我们怎么样把盲文的信息转化为打印机的指令？这里边既有硬件的问题，又有软件的问题，我们有一个小团队专门去解决这个问题。▲ 高速盲文出版物印刷机
解决这个问题以后，我们把这种综合的技术集成到我们自己开发的盲文打印机。这个设备不仅可以打印文字，还可以打印各种复杂的图形。▲ 左：简单的样品；中：孩子用的透明盲文；右：老师校对用的黑色盲文
我们打印的第一本书是《没头脑和不高兴》，这是一本幼儿读物，我们希望他们读了以后能够变得更加高兴起来。不仅是打印图书，我们还打印了一批玩具。我们知道，魔方对开发儿童的智力是非常有帮助的，但是之前盲童实际上没法玩魔方，因为它是通过不同的面呈现不同的颜色来玩的。对我们明眼人，玩魔方是很简单的游戏，但是对盲童那几乎是不可想象的。我们就在这个魔方的不同面上打印出不同的图形，这样盲童也可以玩魔方了。2018年5月17日，在中国助残日，我们给北京盲校的孩子捐赠了一批图书和教具。你看边上那个小朋友他手里拿了两个魔方。本来想让每个小朋友拿一本书，我们一起照个相，但是他很喜欢这个魔方，不肯撒手，一直拿在手里。所以我觉得这样一个玩具，可能孩子他会得到非常多的快乐。我们也知道，盲人的就业还是比较困难的，传统上一种是做盲人按摩，一种是做调音师。所以我们就开发了相应的教材。▲ 展示生理解剖结构
之前他们是没有教材的，完全靠师父带徒弟这种口口相授，然后靠盲人自己的记忆力和领悟力。那我们印刷出相应的教材就可以帮助他们了解人体的骨骼和脉络。▲ 音乐教学
另外我们做出能让他们用手触摸的这种五线谱，之前他们甚至都没有想象过会有这样的帮助。其实每一个盲童在出生的时候，他跟普通的孩子在智力上是没有差异的。但是因为后来他受教育，特别是从书本学习的知识的差异，所以差距就越来越大。那我们能不能让盲童也学上数理化？▲ 左：实验图；右：地形图
数理化涉及到很多立体的、几何的东西，很难用语言去描述。所以我们就想，盲人的手就是他的眼睛，我们把尽可能多的信息通过手可以触摸的这种方式，让他感知到比如化学实验的各种装置，比如这种立体的地形图。还有，如果他视力受到限制之后，其他感官就变得更加灵敏。比如说他的听力、他的嗅觉会更加灵敏。普通孩子感受不到的，他们就特别敏感。我们就想，比如说打印一个水果、打印一个糕点，除了让他触摸大概这个形状是什么样子，能不能让它释放出相应的香味，给他一个更加全面的信息。所以我们就开发了几十种不同香味的墨水，让他手触摸的时候可以缓释出来相应的香味。比如打印一个香蕉，那么除了触摸到香蕉的形状，还有香蕉的香味，这样就能够非常好地帮助他更全面地了解这种水果的特性。当时盲校的老师也说，这相当原来他们的世界是一个零碎的、碎片化的黑白世界，我们给了盲童一个彩色的世界。
那我们还推出了盲文的儿童绘本，比如说唐诗绘本，他在触摸这个唐诗的时候，除了边上有盲文，还可以通过声音把唐诗读出来，包括解读。这样他就能更好地融入到普通孩子的世界里边去。▲ 左：参与国际展会；右：美国国家盲文出版社的邀请
我们不仅帮助国内的盲童和盲人，也希望新的科技能造福全世界的盲人，所以我们也跟国外有广泛的交流。美国盲文出版社的CEO也专门跟我们联系，就是希望更多地了解我们的盲文印刷技术。那我们这样一个技术也在冬奥会期间发挥了相应的作用，让运动员、裁判员了解相应的，特别是残奥会比赛场馆的信息。这也是他们在奥运历史上第一次亲手够触摸这样的明盲对照印刷品。
那么除了帮助盲人之外，实际上我们还可以让普通的印刷品变得更加丰富多彩。我们还做了一个工作，就是用一种墨水打印出全彩色的图像，这可以说颠覆了我们对彩色印刷的一个认知。
这是什么道理呢？我们知道，300年前牛顿发明了三棱镜，把一个白光分解成七色光。我们就是用这个原理，让每一个墨滴精确地控制成型为这种微小的三棱镜，当然实际上是一种球冠形结构。用这种选择性反射这样一个模式，我们用一种墨水就可以打印出全彩色的图像，看起来是不是很神奇？我们还可以把一滴墨水转化为我们想的各种各样的形态。比如说我们用一滴墨水变成一颗牙齿。我们还用一滴墨水变成一副美瞳或者隐形眼镜。它的透光、透水、透氧还有生物相容性完全达到使用要求。所以把我们的溶液、墨水做好，其实可以做出千变万化、各种各样的神奇应用。在B站，很多学“生化环材”的同学说这四大天坑。我们化学可以算是一个比较传统的基础学科，印刷术又是非常传统的一个技术。但把这些新的知识、新的科技进步融合起来，我们就可能跳出四大天坑，把四大发明再次发扬光大。所以我对自己的课题组写了一段话放在网页上边，题目就是“From Impossible to I’m possible”。字母都是一样的，但是你要大胆地创新，勇敢地挑战，而且长期地坚持，你就可能改变你现在的这个学科。我们不仅要把天坑填满，我们还要在这个天坑上造出一个新的珠穆朗玛峰，把老祖宗留下来的印刷术再次发扬光大。这就期待更多对科学探索有热情的青少年能加入到中国的科研队伍中来。我个人还有一个观点，就是科学家也要有良知。我们搞科研是为了让这个世界更加美好，而不是更加残暴。这也是我们对未来的一个期盼，也希望更多同学能够做有温度的、有希望的科研。
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