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謝濤，浙江大學化學工程與生物工程學院教授，國家千人計劃特聘專家。1993年本科畢業于浙江大學化學系，2001年獲美國馬薩諸塞大學高分子系博士學位。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基金資助。從事多功能智能高分子的基礎及應用研究。近期研究工作發表在Nature，Science Advances，Advanced Materials等期刊。擁有超過70項國內外專利。多項研究工作被Nature，Science，麻省理工技術綜述，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會年度創新獎及2013年全球百大研發成果獎（R&D100 獎）。目前擔任美國化學會ACS Applied Materials& Interfaces副主編。

視頻攝制：黃心怡 吳宇倫 李澤熹 李儀

浙江大學廣播電視臺

實錄

  老師能夠跟一幫年輕的有活力的學生在一起，這是一個很大的幸運。今天我借這個機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，你們為什么對變形材料感興趣？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象，包括太陽花隨著陽光轉動，捕蠅草的快速閉合以及含羞草的觸覺響應。很重要的一點是這些變形現象它不是漫無目的的，實際上變形帶來的相關功能是這些植物生存的必要條件。這些現象給我們的啟示是：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，來解決我們人類生存的一些重大問題。事實上變形材料在很多重大領域已經展現了很好的應用前景，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計變形飛機及多功能微型飛行器。在生物醫學方面，變形材料也可以用到腦神經電極、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打印結合起來，3D打印大家都不陌生，應該說這是一項未來有可能影響我們生活方式的技術。但是它現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。

  當然，這種三維形狀太過簡單，能否用類似的機理得到復雜的三維形狀呢？這是我們最近做出的一個自認為還有點意思的嘗試，我們把它叫作新型超快速數字化制造技術，我們沒有把它叫三維打印，因為它和現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，它里面有很多的應力，如果我把這張膜放到水里，應力就會釋放出來，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，多年以來他們已經在包裝行業得到了很廣泛的工業應用。這里舉出的例子是熱縮管和熱縮標簽，因為時間限制我就不具體介紹，但是我們所關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印。最近，我們利用具有黏附性能的形狀記憶高分子實現了一個智能化的高效柔性電子轉印。在形狀記憶高分子表面引入了很多尖錐結構，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。但是我們可以利用它的形狀記憶功能改變尖錐結構，這時候就可以產生非常強的黏附，從而把電子器件從機體上剝離下來。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體上面，只需要一加熱，這些尖錐它要變形回原始狀態，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

  除了在應用方面做的一些探索以外，我們也經常問自己一個問題，從材料基礎性能的角度上來說，我們有沒有可能去設計一些現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則，他們都可以用傳統的模具注塑的方法去得到。而右面的兩個，原始形狀高度復雜，而且是不規則的，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。

  實際上我們設計了一個高分子網絡來做這件事情。大家可以把這個網絡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，我們去拉伸這個網絡的時候，這個可逆連接是處于不激活的狀態，這時候你去拉這個網絡，實際上表現在它的小彈簧被拉伸，也就是說這個東西是可以完全恢復的。而在高溫下，我們可以激活這些可逆連接，這時候變形導致的是小彈簧在整個網絡里面它的重組，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的。利用這個設計，我們就可以實現在同一個高分子網絡，在不同的變形條件下，可以表現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。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雜的原始形狀，而且這個塑性變形可以反復多次地進行，也就是說它的原始形狀可以動態多次地被改變。而對于這么一個復雜的原始形狀，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到復雜的原始形狀，總體我就可以實現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？我們的學生很聰明，他們想到了我們中國傳統的剪紙拉花藝術，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，進一步通過高溫塑化，就可以得到一個高度復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非常復雜的形狀之間的切換，這是我們用剪紙拉花藝術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域中，我們所關心的兩件事。第一，從好奇心以及基礎科學的角度，有沒有可能通過新的分子設計來實現一些現有材料沒有的變形行為。第二，在此基礎上，我們也希望將這些新的變形材料用到和我們生活相關的某些重大應用問題中，例如人工耳蝸和人造視網膜。總體而言，這個研究是從好奇心出發，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，有機會和不同領域的一些非常出色的專家有一些合作，當然了，我更應該謝謝我的學生，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：我是來自光電學院的學生，剛才因為時間問題看您沒有繼續介紹，我比較關心你已有的科研成果有沒有在一些生產或者生活中有更詳細的應用范圍。

  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用的想法，但是我并不指望它在一年、兩年內能夠商品化。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域，所以我們不是拿著現有產品今天來分析一下，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院的眼科大夫在合作，這是個風險很高的嘗試。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視了。我們希望用我們的技術來改變它的曲率，實現視力矯正。理論上用這個方法是可以做到的，當然實際上會碰到很多我們無法預知的問題。另外我們做的類蠟的三維打印是用在技術加工方面，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險，但希望我們能夠改變一個技術領域，給這個社會帶來正面的東西。

  提問：老師您好，我是控制學院的一名研究生，我有兩個問題，一是結合您剛才金屬材料變形的事，它可以在加熱狀態下從臨時形狀到原始狀態，這個過程它的可重復性多高？經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，達到什么樣一種程度是讓自己滿意的狀態？

  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心過。首先我們做到這種變形，一次就已經沒有人做了。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品上，這個產品需要100次形變，那我會研究這個問題，因為那不是一個科學上的進步，僅僅是一個實用技術上的改進，所以沒有到這個直接的應用之前，不會考慮這個具體數字。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，但是他在讀初中的時候，就設計了一個小發明，解決了用氣針給球充氣時很難對準的問題，因此得了好多獎，但是他沒有上大學。浙大的學生應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生，他們一定不會做那些小發明。從賺錢或者從創意的角度上來說小發明是有意義的，但是從科學的進步來說他們的意義很小，可以做，但是我希望以后浙江大學的學生做出來的不僅僅是一個小發明，而是一個真正讓人能夠眼睛一亮的東西。

  來源：浙大科學+++第24期《科學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