癫狂科研启迪心

沈海军，同济大学航空与力学学院教授，博士生导师，飞行器工程研究所所长。国际刊物《The Open Mechanical Engineering Journal》编委，教育部教学指导委员会委员。主持或参加过国家自然基金、航空科学基金等多个项目；已发表论文200余篇；出版有《纳米科技概论》、《新型碳纳米材料-碳富勒烯》、《近空间飞行器》等著作。

掐指算来，我在纳米力学和飞机设计两个跨距极大的领域里一晃干了十余年。十几年里，我指导的研究生像走马灯似的，来了一拨，又走了一拨。带着这帮孩子，虽说在传统科研“正道”上没有取得什么巨大影响的成果，“旁门左道”的事情却干了不少。这些事情听起来有些匪夷所思，有点癫狂，“跑偏”了科研，但仔细想来，却能够启迪心智，给枯燥的传统科研生活平添了许多乐趣。

纳米艺术的诞生

上世纪末，纳米科技兴起。2003年前后，我开始涉猎纳米力学研究，并指导硕士研究生。当时，我的主攻方向纳米碳管的力学特性，使用的是分子模拟软件。2004年的一天，一名研究生在做纳米碳管分子模拟时，我们被电脑屏幕上的神奇图像惊呆了：纳米碳管上的每个原子上的能量梯度交织在一起，变幻无穷，构成了绚丽的图案，宛如一幅幅抽象的艺术作品。

于是，我们立马搜索关键词“纳米艺术”“nanoart”，令人遗憾的是，当时中文网络信息几乎没有，而相关英文的信息条数也仅有区区数百条。直觉告我们，一门崭新的交叉学科——纳米艺术即将诞生。也就是那一天，我们在网上注册并建立了全国第一家纳米艺术网站，网站首页横幅的标题为“纳米艺术：纳米技术与艺术的完美结合”。网站建立后，课题组同时也多了一项任务，那就是但凡有在网上发现微纳米级艺术相关的资讯，如显微镜照片、分子器件模型，也包括课题组分子模拟、微观实验中发现的艺术图像，统统上传到纳米艺术网。

就这样，日复一日，年复一年。到了2008年，纳米艺术网居然收集了数千幅纳米美图，其中还包括课题组创作的《纳米五星红旗》、《冲杀》等作品；期间，我也陆续发表了10余篇纳米艺术的相关论文。2008年夏，我又和几个研究生一道，开始着手对收集的纳米艺术作品进行梳理，撰写国内外第一本纳米艺术专著——《纳米艺术概论》。2010年，课题组和同济大学的知名教授时东陆教授一起，在苏州成功举办了迄今为止国内最大的纳米艺术科普展。那时候，《纳米艺术概论》一书也刚好完稿、正式出版，并在那次纳米艺术展开幕式上签售。

纳米分子枪

2004年，课题组里曾发生了一件值得一提的事情，那就是我和一位研究生设计了一款“分子枪”。当时，一位研究生被安排做纳米碳管的填装研究方向。具体来说，就是在电脑上模拟纳米碳管内填充富勒烯、DNA链、美沙酮等小分子，进而探讨纳米碳管中小分子的定向反应和传输特性。

有一天，一件有趣的事情发生了。这位同学在纳米碳管中加装螺旋DNA直链和C60小球分子；当DNA“轴”转动时，DNA螺距间内的C60分子竟然会在纳米管内移动，从一端运输到另一端。这正如现实生活中的绞肉机：肉从一端加入，螺旋轴旋转时，肉馅就会沿着螺杆轴从另一端输出。于是，一个奇特的想法在他脑海中闪过：如果纳米碳管内的DNA轴转得足够快，C60分子不就可以像子弹一样，从碳管一端射出。这不就是一款货真价实可以发射分子“子弹”的枪吗？

经过讨论后，我们立马投入“分子枪”的设计。省略过程，直接说结果吧。“分子枪”的最终设计采用了NANOXPLORER分子器件设计软件；“枪”管为一直径约2纳米、长25纳米的粗纳米碳管；“子弹”为C60球形分子；“子弹”填装口为一段0.9纳米直径的细纳米碳管；“枪芯”为一段长约20纳米的DNA“螺杆”，由端部脉冲双激光束驱动其旋转，可将填充口填充的C60“子弹”从枪口发射出去。

该“分子枪”设计我们前后花了大约1个月的时间。现在看来，设计它也许仅仅是出于一时兴起，但在整个设计过程中，我们对分子模拟的原子力场、相应的分子设计软件使用，由陌生变得娴熟，开阔了眼界，提高了能力。

一只苍蝇有多大劲儿？

2013年8月，光明日报等诸多媒体报道了我们课题组的蝉动力飞机成果，轰动一时。然而，此项工作却源自于我的一位研究生对国外昆虫飞机研究的调研和追踪。

近年来，媒体上报道了不少欧美国家关于苍蝇、蚊子等昆虫飞机在未来战场上的应用，简直吹得是神乎其神。为此，一位研一的学生被我安排调研该方向的研究现状。数日下来，学生沮丧地反映，只查到了一些泛泛报道，实质性的技术细节一无所获。冷静下来后，我们又展开了一次深入的讨论。最终，讨论结果落到了“一只苍蝇飞行时的动力到底有多大”的问题上。因为，一只昆虫要战场上取得应用，要收集情报，就得加装摄像图、窃听器等情报采集装置，而这些设备要工作得有电源供电。显然，只有知道昆虫的飞行动力有多大，才能根据“推重比”（推力和重量之比）来反推昆虫的负载能力，进而估算出情报采集设备（含电源）的重量与大小。

一只苍蝇飞行时到底有多大动力？问题就摆在了眼前。苦思冥想后，最终我们发明了一套简单实用的装置和测试方法：在木底座上竖起一根碳纤维杆；将一只活苍蝇通过一条细线悬于碳杆顶端；驱赶苍蝇时，苍蝇会飞开并拉弯碳杆，通过摄像机记录碳杆的弯曲扰度，并结合碳杆的刚度，就可得到苍蝇的飞行拉力。经过试验，最终发现，苍蝇飞行的拉力可达到0.1克，其推重比惊人地高，约为2.5，为美国最先进的第四代战机F22引擎的2倍。

尽管如此，0.1克量级的重量对于当下的情报采集设备技术来说，实在是太苛刻了。于是，我们果断放弃苍蝇、蚊子等小昆虫，将目光转向体型较大的蝉。这一次，工作进展得比较顺利。2013年8月，课题组蝉地面行为遥控实验完成，紧接着研制成功了一枚蝉动力遥控微型飞机样机。目前，该蝉动力遥控微型飞机已经获得了国家专利。

这里，还有一件事要交代。我们曾自制了专门的笼子满世界抓苍蝇，辛辛苦苦抓来的苍蝇死了扔掉太可惜。我们的研究生好有才，竟然用这些苍蝇的尸体，采用拟人的手法制作了一套惟妙惟肖的3D连环画——《苍蝇飞机男的一生》。后来，该连环画还上了《劳动报》呢。

微型仿飞鱼滑翔机

自然界中除了禽类、昆虫以外，还有许多会飞行的动物，相比之下，人类的航空史仅有百十年。人类要自由翱翔，有许多地方需要向动物学习。为躲避鲨鱼等其他鱼类捕食，飞鱼经常会跃出水面，在空中滑翔。资料显示，一些飞鱼的跳跃高度可达一米多，滑翔距离甚至可以超过10米，具有极其优越的“飞行”性能。

2014年，借助三维打印技术，我和一位研究生针对飞鱼开展了计算机建模、风洞试验、飞鱼飞机制作等一系列仿生研究工作，并成功试飞了一架飞鱼仿生微型电动自由飞滑翔机。

这件事说起来容易，但做起来却并不简单。要仿生飞鱼，首先要建立飞鱼的立体模型。为此，我们搜索遍了网络，结果只发现若干飞鱼的图片和文献，以及一些其他常见鱼种如鲤鱼的三维CAD几何模型。我们也跑了多家上海的大型水产市场，终究没有发现飞鱼的身影。

怎么办？最后，我们想出了一个迫不得已的办法：那就是在已有鲤鱼三维CAD模型的基础上进行修改，整出一个飞鱼的三维模型来。按照这样的思路，我们从网上下载了鲤鱼的三维数字模型，从市场上还专门买了两条鲤鱼，通过对比、测量，确认了鲤鱼三维数字模型的正确性。接着，参照飞鱼的照片对鲤鱼数字模型进行“修形”和“整容”，即在电脑上给鱼儿瘦身、拉长胸鳍，削尖尾鳍……经过一通“折腾”，这位研究生终于做出了飞鱼的三维几何模型。

建模完成后，通过课题组的三维打印机直接打印出了飞鱼的三维模型实体；紧接着，将该三维飞鱼模型实体放置于学院的风洞，进行吹风试验，进而获得了飞鱼滑翔中的空气动力学特性数据。直接将动物三维打印出来，并进行风洞试验，这在国内外尚无先例。风洞试验结果显示，在很大迎角范围内，飞鱼的升阻比（升力和阻力的比值）都能够维持在5～6之间，这是普通室内微小飞机升阻比的上限。这说明飞鱼具有极佳的气动性能。

有了飞鱼的气动性能数据，用泡沫材质按比例制作出放大的飞鱼，再加装实验室里先前的微小飞机电机、锂电池等电子设备，一架微型飞鱼仿生电动滑翔机便制作完成。2014年5月，课题组对该飞鱼仿生微型电动滑翔机进行了试飞。滑翔机从头顶飞过，姿态平稳，飞行效果良好。

责任编辑：曹晓晨