让机器拥有“触觉”

谢明昊

化学、力学、磁学等各类传感器件是未来智能化机械设备、高精度机床及智能机器人等高端工业设备必不可少的元器件，传感器的灵敏度和精确度决定了这些设备的技术水平和性能。

目前，提高传感器的灵敏度已经成为传感领域的研究重点和难点，尽管一维传感器元件具有更大的比表面积及更高的材料利用率，能大幅度提高传感器的灵敏度，但各类传感材料的一维化普遍面临加工方法上的技术瓶颈。

面对这一技术瓶颈，北京航空航天大学前沿科学技术研究院副研究员姜翔宇研究出了新的方法，他从控制溶液挥发过程中三相线的移动出发，利用界面微结构和化学修饰协同作用来实现传感材料的一维化构筑，为开发高性能高灵敏度传感器件奠定了基础。在可见的未来，研发可应用的一维传感器，是姜翔宇努力的最终目标。

灯塔

姜翔宇科研旅程的起点，是一场全国高中生化学竞赛，他获得了一等奖。凭借这个优异的成绩，他被直接保送到吉林大学化学基地班。在基地班里，姜翔宇能力突出，经常与老师探讨科学问题，在大三那年，他进入实验室，开始直面科学的世界。

两年的时间，在实验室努力钻研的姜翔宇发表了两篇《科学引文索引》（SCI）论文，他对科研产生了巨大的兴趣。本科毕业后，姜翔宇被保送本校进行硕博连读，并在中国科学院理化技术研究所（以下简称“中科院理化所”）进行联合培养。在之后的5年时间里，他大多数的时间都在中科院理化所度过，在这里，姜翔宇遇到了对他人生影响很大的江雷院士。

江雷院士对姜翔宇来说就像灯塔一样，照亮他日后的科研道路。“我觉得自己真正走上科研的道路还是在遇到江老师之后，因为之前虽然对科研感兴趣，但更多的是喜欢动手做实验，而缺少对课题的思考和想象。因为江老师的教导，我慢慢意识到科研并不是单纯地做实验，也要有思路和逻辑思维能力。”姜翔宇由衷地说道。

博士毕业后，姜翔宇继续跟着江雷院士在中科院理化所做博士后相关的工作。“我最初的工作是研究磁性粒子仿生，我仿生的生物是鸽子。鸽子的体内有上喙皮细胞内磁性晶簇，使它具备了定位的能力，所以我仿照鸽子磁性粒子链这个一维的结构，开发各种材料的一维结构。”姜翔宇解释说。

为此，姜翔宇系统研究了各种影响因素对纳米线的结构和形态的影响，研究结果表明，良好的疏水性是采用液桥去浸润法制备金属粒子纳米线的必应条件。最终，姜翔宇采用银纳米粒子和四氧化三铁纳米粒子作为组装材料，利用固体表面浸润性的原理和差异浸润性的原理，分别采用液桥去浸润法和液膜定向收缩法制备了大面积的规整的银纳米粒子线和四氧化三铁磁性纳米线。“并且由于制备的四氧化三铁磁性纳米线的长宽比十分悬殊，所以当结构在磁场内与磁场形成不同角度时，它的磁化强度会不同。利用这种磁各向异性，我们就有可能实现对地磁场方向的感知从而实现定位的作用。”此后，姜翔宇根据江雷院士的研究方向——超浸润原理，将他最终的研究方向确定为基于浸润性原理的一维传感器制备。

2019年，结束博士后工作后，姜翔宇入职北京航空航天大学前沿科学技术研究院，担任副研究员，开启新的科研旅程。“江老师觉得北航对传感器的需求非常大，而我一直在做传感器相关的工作，这样可以有更多的结合，可能对未来的研究有帮助，所以我来到了北航。”

硕果

目前，如何提高传感器的灵敏度是传感器研究领域的重中之重。姜翔宇研究的一维传感器比其他的二维、三维传感器具有更大的比表面积，材料的利用效率更高，最重要的是它能大幅度提高传感器的灵敏度。“虽然一维传感器有很大的优势，但是传感材料的一维化在加工方法上面临着瓶颈。”

姜翔宇介绍说，主要原因在于传感材料通常不具备自组装性，只能采用溶液旋涂等方式铺展成二维膜结构来制备器件，同时溶液的不可控分割和收缩（即气-液-固三相线的不可控锚定和移动），还会导致膜结构的不完整。

针对这一难题，姜翔宇从控制溶液挥发过程中三相线的移动出发，利用界面微结构和化学修饰协同作用来实现传感材料的一维化构筑。他通过诱导连续液膜分割成独立的液桥阵列及表面张力拉伸形成液桥的方法使得每一个液桥具有独立的三相线，且其锚定位点和移动方向可精确控制。此外，姜翔宇进一步调控独立液桥的形貌和尺寸，通过限域诱导结构单元的组装，实现了可控的大面积一维化阵列传感器件制备，为开发高性能高灵敏度传感器件奠定了基础。

姜翔宇的研究并没有止步于此，他利用开发的方法制备了化学传感器、光电传感器及磁场方向传感器，其中光信号化学传感器的灵敏度提高到了传统光信号传感器的两倍；光电传感器和磁场方向传感器的灵敏度处于世界领先水平。

在化学传感器方面，姜翔宇发现现有的化学传感器以二维膜结构为主，因其与环境气体的接触面积（比表面积）较小而使其灵敏度一般较低。若能将传感器一维化，则能显著提高其与环境气体的接触面积，进而大幅度提高有机气体传感器的灵敏度。

于是，姜翔宇通过利用固体表面浸润性原理，将银纳米粒子溶液形成取向性液桥，再通过溶剂挥发制备出大面积规整的银粒子纳米线，在此基础上通过二次去浸润过程，将聚合物包覆在银粒子纳米线表面，制备一维同轴复合型纳米线阵列。当外层聚合物接触有机气体时发生溶胀现象，导致聚合物链对内层银粒子产生挤压，使纳米线的整体导电性下降。不同有机气体引起纳米线导电性下降的程度存在差异，从而实现对不同有机气体的检测。

在光信号化学传感器方面，姜翔宇考虑到传统荧光气体传感器是利用波长移动型荧光染料来实现对气体的检测，由于荧光分子相互作用较弱，使得传感器具有较低的灵敏度和较差的特异性识别性能。因此，他通过结合聚合物和聚集诱导发光（AIE）分子，在不对称浸润性界面上限域構建聚合物/AIE荧光微米线阵列作为气体传感器，利用聚合物溶胀诱导光强变化实现对有机气体的高灵敏和特异性检测。

姜翔宇建构的聚合物/AIE荧光气体传感器具有稳定性好、响应快、灵敏度高于传统荧光传感器的优势。他通过理论计算揭示了荧光传感器用于气体检测的机理，并且利用现有商品化聚合物或AIE材料构建传感器阵列，实现对不同有机气体的识别，证明了方法具有普适性。

在磁场方向传感器方面，现在磁传感器的核心是由磁性材料组成的磁感应元件，很重要的一个参数就是材料的长径比，长径比越大对磁场方向的检测越灵敏。增加长度或减小直径是提高长径比的两个渠道，增加长度受器件尺寸限制已经达到极限，而材料一维化是缩小直径最有效的方法，但由于磁性材料自身的相互作用力，导致磁传感材料的一维化一直是这个领域的难题。

姜翔宇通过差异浸润性修饰的模板，限制磁性材料组装的空间，利用差异浸润性界面控制水溶液液膜定向收缩的方法，第一次实现了超顺磁粒子的线性组装。通过调节磁性纳米粒子在溶液中的浓度，一维结构的宽度可以在160nm到1060nm之间调控。当磁性纳米线在磁场内与磁场方向形成不同角度时，它的磁化强度会不同，利用这种磁各向异性能实现对磁场方向的感知从而实现定位。

以上研究工作已发表学术论文18篇，包括国际期刊《自然·通讯》（Nature Communications）和《先进材料》（Advanced Materials）等，相关工作被国际同行关注，并被《自然》（Nature）等杂志专题报道。

来到北京航空航天大学后，姜翔宇将目光投向了触觉传感器。“我研究触觉传感器，是因为目前高性能的工业机床、包括人工智能在内的各种与日常生活相关的服务设施，如手机、电脑、自动柜员机、家用电器等，以及娱乐、教育的媒介载体等纷纷开始了‘触觉革命’，研究起了触觉传感器。”

触觉传感器以信号传导的形式将触觉信号转换为电信号，能实现触觉信息的快速精确传导，在人体临床诊断、健康评估、健康监控、虚拟电子、柔性触摸屏、服务机器人等领域拥有很大的应用潜力。柔性触觉传感器为感知外界物体提供可靠的信息，如外物的尺寸、形状、纹理等特性，还能提供安全和友好的交互体验，类似于人类皮肤的功能，因此也被称为电子皮肤。

在姜翔宇看来，传统的触觉传感器微型化效果比较差，一般都是做膜或者大块的点阵，这些影响了触觉的精度，“你看人类手指上的皮肤，它的传感单元是非常小的，一个手指的指尖上就有上万个”。而他利用浸润性原理可实现对无机粒子、有机小分子、聚合物等物质的微纳米尺度一维结构构筑，形成高灵敏小体积的传感器部件，因此他在这个方向上有着巨大的优势。

如今，传感器的微型化已经成为未来发展的主要趋势，面对时代的潮流，姜翔宇选择融入潮流，向着传感器微型化领域发展。他现阶段的工作主要是利用柔性材料包覆光信号或者电信号材料，做成一个复合型器件，然后用他们开发的方法将复合型器件做成较小的阵列，再通过压力对电流或者荧光产生的影响，做相關的检测。“目前还在实验室阶段，还没有把它器件化。下一步是想将它器件化，最终的目标当然是实现成果转化，做出能在现实中应用的产品。”姜翔宇对未来充满了信心。

育人

姜翔宇成为一名大学教师已满3年，对如何更好地教书育人，他在慢慢摸索。他记得江雷院士是如何带学生的，“有一次他教育我说，你不要觉得我老骂你，不骂学生，因为学生都是可以带出来的，如果学生不好，通常是你带得有问题，所以我一定只骂你，不会去骂学生。”姜翔宇十分认同江雷院士的观点，他能体会到学生在刚上研究生的时候，对科研并不了解，会迷茫，需要有人引导。

在引导的过程中，作为老师一定要考虑教学的方式有没有问题。“因为有的学生一点就通，有的学生思路慢一点，这个时候就需要老师来调整教学的方式，而不是去埋怨学生。”面对现在的学生，姜翔宇清楚地认识到，学生的视野开阔，想法很多，作为老师，他主要的任务是把握大的思想和方向不跑偏，其他的都以鼓励为主，只要有想法就大胆去试，给学生提供试错的机会。

姜翔宇尤其鼓励学生向权威期刊投稿，他认为，不以文章论英雄，但一定要去投稿。因为投稿提供了一次宝贵的机会，让领域内的专家审读文章，并给出意见，这些意见往往都是非常重要的，会让学生意识到文章存在哪些问题，得到相应的提升。

不仅如此，姜翔宇在必要的科研指导以外，每周都会与学生沟通一到两次关于生活、思想等方面遇到的问题，了解他们的实际困难和思想包袱，及时地为他们答疑解惑，让他们可以放下负担，专心科研工作，并定期组织课题组内的讨论活动，不仅仅是科研方面的探讨，也包括兴趣爱好、家庭生活等各方面的沟通与交流。

面对未来，姜翔宇清楚地感受到触觉传感器的无穷潜力，所以他将在触觉传感领域持续深耕。“我坚持做传感器已经快10年了，自认为还算是比较能坚持的人，希望在下一个10年，做出新的更好的成果。”姜翔宇给未来的自己，定下了目标。

（责编：苏寒山）