6年未接過橫向課題，北航教授終于實現一個全球之最

文|《中國科學報》記者張晴丹

本科選專業失誤，與向往的研究領域失之交臂；在讀研過程中又突然換了方向……漆明凈的求學生涯經歷了兩次波折。

但他沒有因為這些障礙而放棄科研的夢想。從對所選專業的抵觸到逐漸喜愛，從研究新方向的迷茫到越來越堅信成功在望，在一次又一次的嘗試中，漆明凈找到了自己最擅長、最感興趣的領域。在北京航空航天大學（以下簡稱北航）讀博期間，他就實現了撲翼結構的飛行。

回到北航任教后，漆明凈帶著學生申威、彭謹哲繼續逐夢，完成博士階段未能實現的研究課題。這一堅持又是6年。兩名學生也從本科開始研究直到博士快畢業。他們攻克重重難關，在2024年研制出全球最小最輕、自然光驅動的靜電飛行器。

這是國內首個在Nature上發表的飛行器成果，完全由北航科研團隊自主研發。這也是兩位第一作者——博士生申威和彭謹哲科研生涯中發表的第一篇論文。

漆明凈（右）帶著學生做實驗

巴掌大小，比一個紙飛機還輕

隨著使用場景的增加，微型飛行器逐漸獲得廣泛應用。然而這類傳統微型飛行器的續航一直是個問題。例如當微型飛行器的重量小于10克時，飛行時間通常不超過10分鐘，有時甚至低于1分鐘。頻繁更換電池導致許多場景里的需求無法滿足。

“我們要解決的是能源動力問題。因尺寸效應，我們不能簡單地把大型發動機微型化，這樣發熱問題太嚴重，必須要找到新的、顛覆性的原理，才有可能解決目前微型飛行器續航太短的難題。”論文通訊作者、北航教授漆明凈在接受《中國科學報》采訪時表示。

通過非常簡單的公式推導，就會發現在電壓很高、電流很低的情況下，可以從根本上解決發熱問題，也特別適用于微型飛行器。而高壓靜電現象恰好擁有這些特性。于是他們獨辟蹊徑，想運用靜電驅動原理去做航空發動機。

這一思路最早可以追溯到2010年。漆明凈的導師閆曉軍那時在美國加州大學伯克利分校的Lin Lab實驗室訪問，他與實驗室成員一起發現微梁在穩態電場中有大幅振動的現象。當時現場有來自其他高校傳感器學科的研究人員，他們認為這個現象不該出現，肯定是哪里出錯了。

2011年，讀研近兩年時，漆明凈接到了導師交給他的新任務——研究微梁靜電顫振現象。“當時在一個方向已經研究兩年了，突然又要換到另一個方向，我內心是抵觸的，誰也不想跳出舒適區去折騰。但導師堅持讓我試試再說，我也不好違拗。通過研究一根微梁的振動現象最終做出靜電飛行器，我完全不敢想，更別說能發頂刊了。”彼時的漆明凈對于此事心里完全沒底。

這是國內外都無人開辟的領域，甚至跨越了力學、電學、控制學和機器人等多個學科，其難度可想而知。不過，經過幾個月的精細計算和初步試驗后，尚在碩士階段的漆明凈便改變了之前的看法。他堅定地認為這個方向大有可為，甚至已經想象到未來有一天靜電飛行器飛上天的場景。于是他在當年便提交了轉博申請，下定決心繼續研究這個難題。

“只有學過航空的人才能敏銳地感覺到，這個現象與機翼顫動現象類似，蘊含了巨大能量，且梁本身柔性很好而不會被破壞。這就意味著，在宏觀結構中振動不可控、會導致災難性后果且需要避免的顫振現象，在微小結構中反而變得可控且可以利用了！或許我們可以利用這個現象，研制一款全新的航空發動機。”漆明凈說。

漆明凈在微梁兩端加上蜜蜂翅膀制成撲翼結構，再通過特殊的結構設計讓翅膀產生一定的運動軌跡，使其遵循昆蟲飛行的高升力機理。經歷無數次失敗后，某一天晚上，漆明凈繼續調整參數，并將撲翼結構置于靜電場中，它一下就飛起來了。這讓漆明凈激動得叫了起來。當時，他的女朋友在一旁不解地問道：“這現象真有這么了不起？”“因為這就證明了靜電飛行器的可行性，同時也意味著我可以順利博士畢業了。”漆明凈說。

漆明凈的博士論文雖然實現了撲翼結構的起飛，驗證了微梁顫振現象可以產生升力、用于制作航空發動機，但由于當時不能帶多少載荷，離靜電飛行器研制成功尚有一段距離。

不過，得益于攻讀博士期間的研究成果，漆明凈獲得了留學基金委“未來科學家”項目的資助，前往加州大學伯克利分校Lin Lab實驗室公派留學。結束兩年半的博士后研究后，2018年，他回到北航帶團隊繼續科研攻關。

為了解決飛行器整機無法起飛的問題，他們將往復振動的靜電微梁改成了連續旋轉的靜電電機，實現了靜電飛行器的首次整機起飛。

“在輸出功率相同的情況下，相比傳統電磁電機，我們的靜電電機不發熱、效率高、功耗極低。不過靜電電機需要千伏級高壓電流來驅動，這就需要一個升壓電路。像我們常用的電蚊拍里就有升壓電路，可它很重，無法用在微型飛行器上。”漆明凈介紹。

于是，科研團隊就研制了千伏級超輕質高壓電源。大約1克的升壓電路，便能將鋰電池或者太陽能電池輸出的3到5伏低壓直流電轉換為4000到9000伏的高壓直流電。相比美國斯坦福大學研發的同類技術，他們的升壓效率提高了92%。

有了微型靜電電機和千伏級超輕質高壓電源的雙重加持，科研團隊最終成功研發出全球最小、最輕的靜電飛行器。該飛行器翼展20厘米，只有巴掌大小；重4.21g，比一個紙飛機還輕，就算掉到地上也摔不壞。

“我們的靜電飛行器不僅能通過電池飛行更長時間，同時可以在純自然光照條件下實現‘無限’續航。它的顛覆性在于，通過底層原理創新，使得整機尺寸和重量分別是此前世界最小、最輕太陽能飛行器的1/10和1/600。”漆明凈補充道。

未來，這樣的靜電飛行器會有更廣闊的發展前景，可以滿足低空、長時間的探測需求。例如，觀測一大片地區受災情況、觀察動物遷徙、狹窄空間執行任務等。

多學科擰成一股繩

要想在Nature上發飛行器領域的文章十分困難。歷史上，第一項發在Nature上的飛行器成果出自100多年前的萊特兄弟之手。

最近幾年微電子、微機電高速發展，也促使飛行器領域的改造賦能更加便捷，但截至目前國際上該領域的Nature文章尚不足10篇。最近的、具有代表性的有兩篇。其中一篇是美國麻省理工學院科研團隊在2018年發表的大型離子風飛行器的研究論文。其靠電離空氣產生升力，進而推動飛行器。

此外，在靜電飛行器這項成果發表之前，微型飛行器領域的最佳成果是哈佛大學2019年在Nature發表的仿昆蟲飛行器成果，但其局限在于仍需采用三倍于自然光強度的人工光源才能實現持續飛行。“與其相比，我們的靜電飛行器僅靠自然光就能實現持續飛行，讓微型飛行器的性能再上一個新臺階。按照審稿專家的說法，我們這項研究沒有隨大流按照仿生學設計微型飛行器，而是將目前技術的最新進展和突破性成果加以整合，打造出了理論上可以一直飛行的‘超級’微型飛行器。”漆明凈說。

之所以能做出世界頂尖成果，是因為這是一個非常專注且團結的課題組。“這六年我沒有接過一個橫向課題，把組里所有的力量集中在一起，分別去攻克力學、電學、控制學等領域的難題。大家相互扶持、合理分工，圍繞一個目標，擰成一股繩，共同攻關。”漆明凈介紹，他們當時還借用了中國科學院微電子研究所的研究設備。

靜電飛行器團隊

從0到1的過程總是痛苦難熬的，博士生申威和彭謹哲都經歷過一段瓶頸期。

負責研發靜電電機的申威在研究升重比時一直難有突破性進展，飛行器總是飛不起來。而且當時受到新冠疫情影響，做實驗很不方便，研究幾乎停滯不前。申威向漆明凈表明想法：“老師，這個研究我已經做了兩年多，還是沒做出來，我想放棄，換一個方向。”

漆明凈很理解學生的困惑，但他堅定地認為這條路走得通。“咱們已經推導過公式，也從底層原理仔細思考過，都沒有問題。我們可以再堅持一下，一定會有突破。”在接下來的兩個月時間，漆明凈比平時更加關注學生的科研進展，更頻繁地與其溝通交流，果然守得云開見月明。

而負責研發升壓系統的彭謹哲則卡在了跨學科上。他就讀的是能源與動力工程學院，非科班出身的他對電路并不熟悉。為了彌補這方面的短板，彭謹哲一方面積極向自動化和電學專業的老師請教，另一方面惡補相關專業知識，從一開始的毫無頭緒，慢慢提升到能在電路領域獨當一面。

有了團隊上下三代人的不懈堅持和努力，才最終將靜電驅動原理用于微型飛行器。這篇論文得到了Nature編輯和審稿人的高度評價，文章在第一輪審稿中就被原則性接收，在Nature上線當天，同時獲Nature和Science兩大頂級期刊官網的首頁推薦，受關注度超過了同期90%的Nature成果。

“興趣是可以培養的”

漆明凈長期致力于微型機器人的推進與控制研究，并在Nature、Science Robotics、Nature Communications等高水平期刊發表論文60余篇，授權發明專利20余項。

但鮮為人知的是，他現在所從事的領域并非是最初想選擇的。大學選專業時，一次意外的誤會改變了他的人生軌跡。

漆明凈

“我剛報考北航的時候，深受楊利偉首飛太空的影響，一心想去航天專業。但當年互聯網并不發達，高考填志愿的時候對很多專業并不了解。當我看到飛行動力工程專業時，我就理所當然地認為是航天領域，便草率地填報了。”漆明凈回憶道。

入學后發現真相的漆明凈，因夢想落空，在頭一年里情緒很是低迷。“我是想做火箭的，怎么學航空發動機來了？”他在心里反復追問。

但隨著學習的深入和心態的調整，漆明凈慢慢喜歡上了這個專業。他在導師的建議下，開展靜電飛行器的研究。在碩博連讀的6年時間里，漆明凈對靜電飛行器的態度經歷了從不敢相信、半信半疑到信心滿滿的轉變，他認為這最終會是一項能發表在Nature上的研究。當學生也同樣表現出懷疑時，漆明凈便不斷鼓勵他們，給他們打氣。

有了當年讀博和如今指導博士生的經驗后，漆明凈經常對學生講：“當你與導師之間發生意見分歧時，你表達完自己的觀點，如果導師還是堅持己見的話，你最好選擇相信導師的眼光。畢竟導師的視野更開闊、目光更加長遠。”

雖然漆明凈在本科專業選擇上有過一次失誤，在讀研過程中也換了一次方向，但他認為一切都是最好的安排。

“做科研不可能一成不變。我們總會因為一些機緣巧合，從事一些原本自己未曾預料的研究方向。但我發現，興趣愛好是可以培養出來的。我在本科專業選擇和讀研方向選擇上，有兩次重大轉折。每一次都是全新的開始，需要大量時間去學習和積累，逐步取得成績。我常跟學生說，人生不如意事常八九，重要的是我們要享受這個過程所帶來的不同體驗。更重要的是，遇到困難后不要退縮，要相信堅持的力量，最終結果一定不會差。”漆明凈說。

參考鏈接：

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

*本文圖片皆由受訪者提供