“你不適合讀博，博屢不科也不適合做科研。受挫說眼”18年前，到優(yōu)低導(dǎo)師對王鉆開說的秀科學(xué)家學(xué)網(wǎng)這番話，幾乎斷送他的高手學(xué)術(shù)生涯，那時能拿博士學(xué)位竟成了一種奢望。研新

讀博歷經(jīng)三次波折，聞科夢想一次次被碾碎又一次次再重塑，從讀他不愿認(rèn)命、博屢不科不肯放棄，受挫說眼逆風(fēng)翻盤，到優(yōu)低在43歲那年發(fā)表了第一篇Nature論文。秀科學(xué)家學(xué)網(wǎng)這些年在Nature、高手Science、研新Nature Physics、Nature Nanotechnology、Nature Materials等雜志上發(fā)表論文200余篇，被引1.9萬多次。連續(xù)兩年入選科睿唯安全球高被引科學(xué)家。

最近，香港理工大學(xué)機械工程系教授王鉆開團隊又完成了一項十分有趣的研究。他們與中山大學(xué)先進制造學(xué)院副教授吳嘉寧合作，在蜜蜂的啟示下，構(gòu)建彈性仿生剛度梯度彈射器，并開發(fā)出仿生機器人。更妙的是，這種仿生機器人還能與太陽能板相結(jié)合形成自清潔系統(tǒng)。相關(guān)研究論文發(fā)表在Nature Nanotechnology。

王鉆開  受訪者供圖

一把神奇的“梳子”，一項新奇的發(fā)明

過去十幾年，王鉆開一直在思索一個問題——如何讓物體表面實現(xiàn)自清潔功能。例如我國西部的太陽能板蒙塵后性能會大打折扣，而當(dāng)?shù)厝彼纸o清潔工作增加了難度。如果太陽能板能自己變干凈，那該多好。

對大自然有著細(xì)膩觀察力的他，在小蜜蜂身上捕捉到一個神奇的現(xiàn)象，為研究自清潔提供了靈感。

很多昆蟲的前肢上都存在一把“梳子”，像螞蟻在用“梳子”清潔完觸角后，會使用口器對“梳子”進行清潔，以便下一次使用，但蜜蜂卻很少有“梳子”清潔行為。蜜蜂在無數(shù)花朵上停留采集花蜜和花粉，雖然經(jīng)常用這把“梳子”清潔觸角，但不用清理“梳子”便可立馬飛向下一朵花繼續(xù)工作。

“我們懷疑蜜蜂有自清潔的本領(lǐng)?！弊鳛樽罱@篇論文的通訊作者，王鉆開對《中國科學(xué)報》說。但蜜蜂太小了，僅靠肉眼觀察，很難窺其真諦，于是他們進一步做微觀表征，用高速攝像機拍下蜜蜂清潔觸角的過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蜜蜂前肢上的“梳子”刷完觸角后，粘上的顆粒都被彈出去了。

“這一切僅發(fā)生在幾毫秒之內(nèi)，顆粒是以很高的加速度彈出去的，因此我們猜測蜜蜂的自清潔能力是利用了一種彈射機制，而非重力作用下的自由落體運動?！闭撐牡谝蛔髡?、香港城市大學(xué)機械工程系博士張威在接受《中國科學(xué)報》采訪時說。

進一步揭示其機理發(fā)現(xiàn)，“梳子”由很多梳毛組成，每根梳毛長約38微米，上面有跨越近兩個數(shù)量級的剛度梯度，其尖端是軟的，但到根部逐漸變硬。當(dāng)刷觸角時，“梳子”彎曲變形儲存彈性能量，那些巧奪天工的剛度梯度結(jié)構(gòu)可增大彈性能量的儲存，加速彈性能的釋放，縮短能量“爆發(fā)”的時間，產(chǎn)生并輸出更大的慣性力，以克服黏附力，將花粉和灰塵顆粒飛速彈出去。

破解彈射機制后，王鉆開團隊要做的就是把設(shè)計如此精妙的微觀結(jié)構(gòu)在宏觀層面實現(xiàn)。而要達(dá)到清潔效率的提高，就需要設(shè)計類似的剛度梯度，這一點十分困難。

一般的材料都是同質(zhì)的，研究團隊嘗試了很多種方法，經(jīng)歷了許多失敗后才讓材料最終實現(xiàn)了漸變，并制造出仿生剛度梯度彈射器，其楊氏模量從尖端的2兆帕逐漸增加到根部的150兆帕，能真正實現(xiàn)“居塵不染塵”。

在此基礎(chǔ)上，他們還開發(fā)出自清潔機器人。很多戶外大型基礎(chǔ)設(shè)施都受灰塵的困擾，人工維護所需的精力和成本頗高，如果能在這些設(shè)施上布置自清潔機器人，便可一勞永逸。比如在太陽能板上安裝自清潔機器人后，既省成本，還可長期維持表面清潔，保障穩(wěn)定的電能供應(yīng)。

這樣的設(shè)計思路也為生物材料、功率調(diào)制以及能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域研究提供了重要參考。

兩次讀博被“開除”，“堅持”改變命運

王鉆開先后在吉林大學(xué)、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所獲得學(xué)士和碩士學(xué)位后，對科研有了更多的期待。在出國浪潮高漲的2003年，本來碩博連讀的他放棄了繼續(xù)讀博的機會，選擇出國深造。他向新加坡和美國的10所大學(xué)遞交了博士申請，只拿到了來自美國波士頓大學(xué)的唯一offer。

彼時，在王鉆開心目中，微電子代表著先進科學(xué)的方向，是時髦專業(yè)，也好找工作，于是第一學(xué)期他選的都是射頻電路、集成電路等和所在的機械系不太相關(guān)的課程。由于英語聽力存在短板，再加上此前從未接觸過這些課程內(nèi)容，王鉆開的幾次考試成績都不理想，這給他帶來了極大的壓力。

因為學(xué)習(xí)上達(dá)不到要求，導(dǎo)師讓他換課題組，相當(dāng)于被“開除”了。

很快，王鉆開轉(zhuǎn)到一位新入職的年輕老師組里，成了她的第一名博士生。但這樣的倉促選擇又埋下了不好的伏筆。新導(dǎo)師安排的課題是用納米壓痕測量水凝膠的力學(xué)性能，這讓好不容易從機械轉(zhuǎn)到微電子的王鉆開大失動力，眼高手低的他自作主張做起了別的課題，但由于實驗?zāi)芰μ?，幾乎毫無進展。

實驗室簡陋、設(shè)備不齊全，也讓曾在國家重點實驗室待過的王鉆開有了很大的心理落差，產(chǎn)生了消極怠工情緒?！澳菚r候太膚淺，也太依賴已有的平臺，以為科研就是拼設(shè)備?！?004年5月3日，王鉆開永遠(yuǎn)記得這一天，他收到了導(dǎo)師發(fā)來的“掃地出門”的信。按照美國高校規(guī)定，4月15日各大院校錄取早已截止，錯過校招時間的王鉆開，心情瞬間跌入谷底。

王鉆開心有不甘，也不想就此灰溜溜回國，他抱著“死馬當(dāng)活馬醫(yī)”的心情，給多國高校共發(fā)出100多封申請信，但只收到兩封回信，且都不是很理想。5月9日，他繼續(xù)向全球各地的高校爭取一線生機，一直寫信到凌晨4點，波士頓的綠線地鐵早已停運，只能步行回家，黑暗中踽踽獨行的身影落滿狼狽。

好在天無絕人之路，王鉆開收到了美國倫斯勒理工學(xué)院教授Nikhil Koratkar的回復(fù)，成功申請到2004年秋季的博士。

一年半的時間里，王鉆開就換了3個實驗室，經(jīng)歷一連串打擊后，他變得敏感，開始琢磨老師的每一個眼神，每日戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢，很害怕自己再次被開除。久而久之，他與導(dǎo)師越來越疏遠(yuǎn)，幾乎毫無交流。在如此高壓的籠罩下，王鉆開各方面都表現(xiàn)不佳，課題也止步不前，這讓導(dǎo)師產(chǎn)生了攆人的想法。

12月23日這天，大雪紛飛，氣溫跌到了零下15攝氏度，Koratkar把王鉆開叫到辦公室說：“我覺得你不適合讀博，也不適合做科研。如果資格考試你沒通過，半年后走人；如果通過資格考試，我也未必留你。為了保險起見，下學(xué)期你多修一些課，就不要再做研究了，這樣至少可以拿個碩士學(xué)歷?！?/p>

眼看著剛剛打開的窗戶又要關(guān)閉，王鉆開提醒自己一定不要再次錯失機會。已經(jīng)沒有課題可做的他，把主要精力放在應(yīng)對資格考試上，但做研究的這束火苗并未被就此撲滅。

一次偶然的機會，他從材料系教授Ajayan課題組做博士后的慈立杰那里獲得了一些碳納米管樣品。他本能地將一滴水放在碳納米管表面上，小水珠呈現(xiàn)出荷葉上的球狀，格外晶瑩剔透。這種現(xiàn)象叫荷葉效應(yīng)，雖然已有人在該領(lǐng)域做出開創(chuàng)性研究，但對王鉆開來說卻是第一次接觸到。

“我在液滴上加了兩伏電壓，液滴完全鋪開并浸潤到碳納米管里面。當(dāng)我把反向電壓加到100伏時，液滴卻沒有任何變化。我立即把這一現(xiàn)象告訴了導(dǎo)師，他興奮極了，甚至認(rèn)為這個發(fā)現(xiàn)可以發(fā)Nature。”王鉆開說。

“一滴水”讓王鉆開的科研生涯發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，他重拾信心和動力，全身心撲在科研上，最終把這項研究發(fā)表在材料學(xué)領(lǐng)域頂刊Nano Letters上，并獲得了“全美杰出材料研究生銀獎”和“國家優(yōu)秀自費留學(xué)生獎”。這個工作后來甚至被諾貝爾獎得主K. S. Novoselov在Nature論文中引用。

回國繼續(xù)科研夢，讓“冷門”領(lǐng)域回暖

博士順利畢業(yè)后，王鉆開并未留在美國發(fā)展，而是選擇回國一展宏圖。

2009年底，王鉆開入職香港城市大學(xué)，拿到20萬港幣的啟動經(jīng)費，實驗室不足10平方米。在那樣艱難的歲月，他招到了第一名博士生陳雪梅（現(xiàn)為南京理工大學(xué)教授），專業(yè)是壓電陶瓷?？粗逃尘安荒敲慈A麗的學(xué)生，王鉆開仿佛看到了當(dāng)年的自己，年輕時的心高氣傲或許根本看不上這樣一個一無所有的實驗室。

“輾轉(zhuǎn)美國3個實驗室的經(jīng)歷，讓我明白，科研并不僅僅是拼設(shè)備，更多的是思想的競賽，用最少的錢產(chǎn)出更多的新知識、新思想、新體系。”王鉆開說。

而且，對科研的重新認(rèn)知也讓他不再抵觸自己的老本行。機械工程已有200多年歷史，是一個相對“冷門”的學(xué)科，這個領(lǐng)域幾乎與Nature等頂級學(xué)術(shù)期刊絕緣，“做‘冷門’研究，難度系數(shù)更大。但俗話說，‘風(fēng)浪越大魚越貴’，我很想把這樣一個相對‘冷門’的領(lǐng)域復(fù)活”。

這些年，王鉆開真的把這門古老的學(xué)科做出了新花樣。

2014年，他發(fā)現(xiàn)了一滴水能呈餅狀從表面彈起，并揭示了液體和固體相互接觸最短時間的極限，這一研究成果入選吉尼斯世界紀(jì)錄，也被Nature Physics評為過去15年15篇代表論文之一。

2020年，他發(fā)現(xiàn)了一滴水可以發(fā)電，一滴雨水的動能可點亮100個小LED燈，這項研究發(fā)表在Nature上。這一年，他獲得了“科學(xué)探索獎”。2022年，他加入了香港理工大學(xué)。

如今，王鉆開在Nature、Science、Nature Physics、Nature Materials等雜志上發(fā)表論文200余篇，被引1.9萬多次。在被大家吐槽為“天坑”之一的機械工程專業(yè)，王鉆開用實際行動和杰出成績扭轉(zhuǎn)了“口碑”，讓其魅力和前景被更多人看到，“冷門”逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁衢T”。

從他的實驗室里走出來的學(xué)生，也在許多領(lǐng)域取得了不斐的成績。對于自己曾經(jīng)犯下的錯誤，王鉆開從不避諱，常以己為誡引導(dǎo)學(xué)生?！白隹蒲幸欢ㄒ徊揭徊阶撸形鸷酶唑\遠(yuǎn)。如果我的經(jīng)歷能對在讀的博士生有所啟發(fā)，我就很欣慰了?！?/p>

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41565-023-01524-x