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謝濤，浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院教授，國家千人計劃特聘專家。1993年本科畢業(yè)于浙江大學(xué)化學(xué)系，2001年獲美國馬薩諸塞大學(xué)高分子系博士學(xué)位。2001年至2013年先后任職于美國通用汽車公司及休斯實驗室，2013年全職回國工作，2016年獲國家杰出青年科學(xué)基金資助。從事多功能智能高分子的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究。近期研究工作發(fā)表在Nature，Science Advances，Advanced Materials等期刊。擁有超過70項國內(nèi)外專利。多項研究工作被Nature，Science，麻省理工技術(shù)綜述，華爾街日報等報道。曾獲美國Conte國家高分子研究中心杰出研究獎，2011年美國制造工程師協(xié)會年度創(chuàng)新獎及2013年全球百大研發(fā)成果獎（R&D100 獎）。目前擔(dān)任美國化學(xué)會ACS Applied Materials& Interfaces副主編。

視頻攝制：黃心怡 吳宇倫 李澤熹 李儀

浙江大學(xué)廣播電視臺

實錄

  老師能夠跟一幫年輕的有活力的學(xué)生在一起，這是一個很大的幸運。今天我借這個機(jī)會向大家介紹智能變形高分子，分享我們課題組的一些研究。

  首先，大家可能會問一個問題，你們?yōu)槭裁磳ψ冃尾牧细信d趣？首先是好奇心，我們看看周圍生活的大自然，實際上遍布著很多的變形現(xiàn)象，包括太陽花隨著陽光轉(zhuǎn)動，捕蠅草的快速閉合以及含羞草的觸覺響應(yīng)。很重要的一點是這些變形現(xiàn)象它不是漫無目的的，實際上變形帶來的相關(guān)功能是這些植物生存的必要條件。這些現(xiàn)象給我們的啟示是：有沒有可能從合成材料的角度，去制備很多具有奇妙變形行為的材料，并且把它用到我們的生活中，來解決我們?nèi)祟惿娴囊恍┲卮髥栴}。事實上變形材料在很多重大領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)了很好的應(yīng)用前景，比如說在航空航天方面，美國空軍多年來一直致力于將變形材料用于設(shè)計變形飛機(jī)及多功能微型飛行器。在生物醫(yī)學(xué)方面，變形材料也可以用到腦神經(jīng)電極、人工晶狀體以及心血管支架等方面，例子很多，我就不一一列舉了。

變形+3D打印

  具體到我們自己的研究，我們近期做出了一個嘗試，是將變形和3D打印結(jié)合起來，3D打印大家都不陌生，應(yīng)該說這是一項未來有可能影響我們生活方式的技術(shù)。但是它現(xiàn)在也還存在一系列的問題，最突出的兩個問題，一個是打印速度慢，二是材料變形的多樣性，材料性能以及多樣性都非常受限。究其原因是因為傳統(tǒng)的3D打印都依賴于非常耗時的材料層層堆積。那么有沒有可能不用層層堆積呢？

  這是一個典型的二維平面，如果我要把它變成三維形狀其實可以非常簡單、方便，而且不費時。

  當(dāng)然，這種三維形狀太過簡單，能否用類似的機(jī)理得到復(fù)雜的三維形狀呢？這是我們最近做出的一個自認(rèn)為還有點意思的嘗試，我們把它叫作新型超快速數(shù)字化制造技術(shù)，我們沒有把它叫三維打印，因為它和現(xiàn)在的三維打印非常不一樣。儀器非常簡單，只需要一個商用的投影儀，我們在兩片玻璃之間加入了可以光固化的液體，通過電腦控制這個投影儀，在這個液體上的每一個像素點，是否照光以及光照的強(qiáng)度我們都可以獨立控制。這樣光固化出來的一張膜，表面上看起來很平，但實際上因為它的每一個像素點都不一樣，它里面有很多的應(yīng)力，如果我把這張膜放到水里，應(yīng)力就會釋放出來，這張平膜就能變成一個形狀高度可控的3D形狀，利用這個方法也可以制作各種復(fù)雜的形狀，比如說這些，還有類似悉尼歌劇院的形狀。

  另外，通過光固化液體的選擇，我們也可以很方便地在三維形狀中引入變形行為，使得做出來的三維形狀可以在外界條件變化的情況下，能夠產(chǎn)生可逆的形變，這也是我們通常所說的，除了3D之外的隨著時間第四維度變化的4D打印。同樣的，通過這個光固化液體的選擇，我們也可以使得打出來的平模在熔融的石蠟里面顯影，實際上整個過程非常類似于照相。照相分兩個步驟，一個是拍照，一個是顯影，只不過我們顯影的過程顯出來的是一個3D形狀。這里我們通過不同材料的選擇，使得顯影可以在熔融的石蠟里面產(chǎn)生，而得到具有形狀記憶功能的類石蠟材料，整個打印過程只需要4秒鐘，這種材料未來有可能能用到石蠟鍛造里面，用來制備一些具有復(fù)雜形狀的金屬器件。

變形+柔性電子

  這里說到形狀記憶高分子，實際上是一種能夠記憶臨時形狀，并且在加熱條件下恢復(fù)到原始形狀的一類材料，這類材料并不新，多年以來他們已經(jīng)在包裝行業(yè)得到了很廣泛的工業(yè)應(yīng)用。這里舉出的例子是熱縮管和熱縮標(biāo)簽，因為時間限制我就不具體介紹，但是我們所關(guān)心的一個問題是我們有沒有可能用這種性能，來做一些全新的應(yīng)用嘗試。柔性電子我估計大家可能都聽說過，但是大家可能不知道的是柔性電子可以分成兩種，一種是可彎曲電子、一種是可拉伸電子，區(qū)別在哪里呢？大家想一下，一張紙是可以任意彎曲的，但是它沒有辦法像一塊橡膠一樣可以任意的拉伸，可拉伸電子和可彎曲電子相比，它有更多強(qiáng)大的功能，但是它的制造也非常的難。在制造過程中，首先是把這些微型化的電子器件給沉積在硅片上，但難的是怎樣將這些微型器件從這個又薄又脆的硅片上面剝離下來，并且非常高效地把它放到一塊可以拉伸的橡膠基體上，這個過程我們把它叫作轉(zhuǎn)印。最近，我們利用具有黏附性能的形狀記憶高分子實現(xiàn)了一個智能化的高效柔性電子轉(zhuǎn)印。在形狀記憶高分子表面引入了很多尖錐結(jié)構(gòu)，盡管這個形狀記憶高分子它是有黏附性能的，但是由于這個尖錐的存在，它接觸不好，所以實際上是屬于非黏附狀態(tài)。但是我們可以利用它的形狀記憶功能改變尖錐結(jié)構(gòu)，這時候就可以產(chǎn)生非常強(qiáng)的黏附，從而把電子器件從機(jī)體上剝離下來。剝離下來僅僅是這個過程的一半，另外一半實際上也很難，但是因為我們用的形狀記憶高分子，就可以把這件事情變得簡單，我們把它剝離以后放到機(jī)體上面，只需要一加熱，這些尖錐它要變形回原始狀態(tài)，就可以把所有的器件很高效安全地釋放到基體上面。整個過程非常高效、可控。

變形+剪紙

  除了在應(yīng)用方面做的一些探索以外，我們也經(jīng)常問自己一個問題，從材料基礎(chǔ)性能的角度上來說，我們有沒有可能去設(shè)計一些現(xiàn)有的變形材料沒有的性能。這四個小視頻，所有這些視頻里面都是形狀記憶高分子，在加熱情況下，他們從臨時形狀變成原始形狀的過程。如果大家仔細(xì)看的話可能會留意到一點，左邊的兩個原始形狀相對比較規(guī)則，他們都可以用傳統(tǒng)的模具注塑的方法去得到。而右面的兩個，原始形狀高度復(fù)雜，而且是不規(guī)則的，這個用普通的加工方法是很難得到的，下面來告訴大家的是，我們怎么做到這一點的。

  實際上我們設(shè)計了一個高分子網(wǎng)絡(luò)來做這件事情。大家可以把這個網(wǎng)絡(luò)想象成一堆互相連接著的小彈簧。黑色的連接點是彈簧的永久連接點，而藍(lán)色的接線實際上是可逆連接，就是它有可能在某些條件下被打開。在低溫下，我們?nèi)ダ爝@個網(wǎng)絡(luò)的時候，這個可逆連接是處于不激活的狀態(tài)，這時候你去拉這個網(wǎng)絡(luò)，實際上表現(xiàn)在它的小彈簧被拉伸，也就是說這個東西是可以完全恢復(fù)的。而在高溫下，我們可以激活這些可逆連接，這時候變形導(dǎo)致的是小彈簧在整個網(wǎng)絡(luò)里面它的重組，而這些小彈簧本身不被拉伸，這時候整個材料的變形是沒有辦法恢復(fù)的。利用這個設(shè)計，我們就可以實現(xiàn)在同一個高分子網(wǎng)絡(luò)，在不同的變形條件下，可以表現(xiàn)出完全相反的兩種變形行為，一種是彈性形狀記憶，一種是塑性的永久的變狀。

  如果大家還沒有明白的話也可以想象，就像有一千個人在跳集體舞，大家手一直拉著，無論你怎么跳只要手不松，要回到原來的隊列是非常容易的。但是如果大家在跳集體舞的時候一直在換手，這個次序就全亂了，它的變形是回不到原來的狀態(tài)。有了這么一個材料，我們就可以做一些剛才給大家解釋的事，比如說，可以從這個非常簡單的原始形狀，通過高溫的塑性永久變形，用折紙的方法把它折疊成復(fù)雜的原始形狀，而且這個塑性變形可以反復(fù)多次地進(jìn)行，也就是說它的原始形狀可以動態(tài)多次地被改變。而對于這么一個復(fù)雜的原始形狀，如果在低溫下變形它就可以記憶其他不同的臨時形狀，而且在加熱的條件下可以恢復(fù)到復(fù)雜的原始形狀，總體我就可以實現(xiàn)視頻里面通過溫度變化來折紙的效果。

  前面給大家介紹的是塑性折紙的概念，這件事看起來很酷，實際上做起來并不容易，因為我們并不是真正在折一張紙，而是在130°的條件下折一個橡膠，很多的折線是很難控制的，那有什么解決辦法呢？我們的學(xué)生很聰明，他們想到了我們中國傳統(tǒng)的剪紙拉花藝術(shù)，這么一塊平板，用激光切割出一些線，然后將四個腳摁住，中間一拉，進(jìn)一步通過高溫塑化，就可以得到一個高度復(fù)雜的三維的原始形狀，通過它在低溫下臨時形狀記憶行為可以實現(xiàn)非常復(fù)雜的形狀之間的切換，這是我們用剪紙拉花藝術(shù)做出來的兩個變形視頻。

  簡單的概括一下我今天的報告，實際上在給大家解釋在做智能變形高分子材料的領(lǐng)域中，我們所關(guān)心的兩件事。第一，從好奇心以及基礎(chǔ)科學(xué)的角度，有沒有可能通過新的分子設(shè)計來實現(xiàn)一些現(xiàn)有材料沒有的變形行為。第二，在此基礎(chǔ)上，我們也希望將這些新的變形材料用到和我們生活相關(guān)的某些重大應(yīng)用問題中，例如人工耳蝸和人造視網(wǎng)膜。總體而言，這個研究是從好奇心出發(fā)，最后希望能夠解決一些重要的問題。這里面很重要的一個問題是，形狀不僅僅是好看或不好看，實際上在很多工程應(yīng)用中，它有舉足輕重的作用。

  很顯然這些工作都不是我一個人做的。這些年來我覺得我很幸運，有機(jī)會和不同領(lǐng)域的一些非常出色的專家有一些合作，當(dāng)然了，我更應(yīng)該謝謝我的學(xué)生，實際上這些工作都不是我做的，都是他們做的，只是我有機(jī)會在這里代表他們來介紹他們的工作。

互動

  提問：我是來自光電學(xué)院的學(xué)生，剛才因為時間問題看您沒有繼續(xù)介紹，我比較關(guān)心你已有的科研成果有沒有在一些生產(chǎn)或者生活中有更詳細(xì)的應(yīng)用范圍。

  謝濤：這個問題很有意思，實際上我們做的每一個東西都有應(yīng)用的想法，但是我并不指望它在一年、兩年內(nèi)能夠商品化。原因很簡單，因為我們想做的事情更大，希望做的每一件事情能夠做到改變一個領(lǐng)域，所以我們不是拿著現(xiàn)有產(chǎn)品今天來分析一下，明天就賺錢了，這個我不做。

  前面說到3D打印的事，真的能用在哪里？我們實際上跟浙二醫(yī)院的眼科大夫在合作，這是個風(fēng)險很高的嘗試。人的眼睛實際上都是一個生物水凝膠，它本身就是一張三維膜，曲率不對人就近視或遠(yuǎn)視了。我們希望用我們的技術(shù)來改變它的曲率，實現(xiàn)視力矯正。理論上用這個方法是可以做到的，當(dāng)然實際上會碰到很多我們無法預(yù)知的問題。另外我們做的類蠟的三維打印是用在技術(shù)加工方面，實際上還有很多很多，我們也在做柔性電子的東西。目前這些方向都還沒有人在做，所以做起來會有一些風(fēng)險，但希望我們能夠改變一個技術(shù)領(lǐng)域，給這個社會帶來正面的東西。

  提問：老師您好，我是控制學(xué)院的一名研究生，我有兩個問題，一是結(jié)合您剛才金屬材料變形的事，它可以在加熱狀態(tài)下從臨時形狀到原始狀態(tài)，這個過程它的可重復(fù)性多高？經(jīng)過多少次變形之后它這個性能會退化？二是，您覺得對于一項科研成果，達(dá)到什么樣一種程度是讓自己滿意的狀態(tài)？

  謝濤：我先回答你第一個問題，這個東西變形能變多少次，這個事情我們始終就沒有關(guān)心過。首先我們做到這種變形，一次就已經(jīng)沒有人做了。第二，我做過四五次肯定是沒有問題，我為什么要關(guān)心去做100次、1000次呢？只有某一天你跟我說：老師你這個東西能用到這個產(chǎn)品上，這個產(chǎn)品需要100次形變，那我會研究這個問題，因為那不是一個科學(xué)上的進(jìn)步，僅僅是一個實用技術(shù)上的改進(jìn)，所以沒有到這個直接的應(yīng)用之前，不會考慮這個具體數(shù)字。第二個問題，做到哪一步我會高興？這個事情不好說，我只要是做到了現(xiàn)有材料沒有辦法做到的事，我就很高興，不一定要馬上看到它實用化。

  我哥哥他不會讀書，所以沒上大學(xué)，但是他在讀初中的時候，就設(shè)計了一個小發(fā)明，解決了用氣針給球充氣時很難對準(zhǔn)的問題，因此得了好多獎，但是他沒有上大學(xué)。浙大的學(xué)生應(yīng)該做更高層面的事情。我前兩天看了波士頓動力做了兩個輪子的機(jī)器人，能夠跳、能夠跑，你看了以后會覺得我們落后了多少。所以你如果去看哈佛的學(xué)生，他們一定不會做那些小發(fā)明。從賺錢或者從創(chuàng)意的角度上來說小發(fā)明是有意義的，但是從科學(xué)的進(jìn)步來說他們的意義很小，可以做，但是我希望以后浙江大學(xué)的學(xué)生做出來的不僅僅是一個小發(fā)明，而是一個真正讓人能夠眼睛一亮的東西。

  來源：浙大科學(xué)+++第24期《科學(xué)900秒②》（錄音整理：艾靜 攝影：古越 編輯 ：涵冰 支持：“啟真杯”組委會