沈海軍，同濟大學(xué)航空與力學(xué)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，飛行器工程研究所所長。國際刊物《The Open Mechanical Engineering Journal》編委，教育部教學(xué)指導(dǎo)委員會委員。主持或參加過國家自然基金、航空科學(xué)基金等多個項目；已發(fā)表論文200余篇；出版有《納米科技概論》、《新型碳納米材料-碳富勒烯》、《近空間飛行器》等著作。

掐指算來，我在納米力學(xué)和飛機設(shè)計兩個跨距極大的領(lǐng)域里一晃干了十余年。十幾年里，我指導(dǎo)的研究生像走馬燈似的，來了一撥，又走了一撥。帶著這幫孩子，雖說在傳統(tǒng)科研“正道”上沒有取得什么巨大影響的成果，“旁門左道”的事情卻干了不少。這些事情聽起來有些匪夷所思，有點癲狂，“跑偏”了科研，但仔細想來，卻能夠啟迪心智，給枯燥的傳統(tǒng)科研生活平添了許多樂趣。

納米藝術(shù)的誕生

上世紀末，納米科技興起。2003年前后，我開始涉獵納米力學(xué)研究，并指導(dǎo)碩士研究生。當(dāng)時，我的主攻方向納米碳管的力學(xué)特性，使用的是分子模擬軟件。2004年的一天，一名研究生在做納米碳管分子模擬時，我們被電腦屏幕上的神奇圖像驚呆了：納米碳管上的每個原子上的能量梯度交織在一起，變幻無窮，構(gòu)成了絢麗的圖案，宛如一幅幅抽象的藝術(shù)作品。

于是，我們立馬搜索關(guān)鍵詞“納米藝術(shù)”“nanoart”，令人遺憾的是，當(dāng)時中文網(wǎng)絡(luò)信息幾乎沒有，而相關(guān)英文的信息條數(shù)也僅有區(qū)區(qū)數(shù)百條。直覺告我們，一門嶄新的交叉學(xué)科——納米藝術(shù)即將誕生。也就是那一天，我們在網(wǎng)上注冊并建立了全國第一家納米藝術(shù)網(wǎng)站，網(wǎng)站首頁橫幅的標(biāo)題為“納米藝術(shù)：納米技術(shù)與藝術(shù)的完美結(jié)合”。網(wǎng)站建立后，課題組同時也多了一項任務(wù)，那就是但凡有在網(wǎng)上發(fā)現(xiàn)微納米級藝術(shù)相關(guān)的資訊，如顯微鏡照片、分子器件模型，也包括課題組分子模擬、微觀實驗中發(fā)現(xiàn)的藝術(shù)圖像，統(tǒng)統(tǒng)上傳到納米藝術(shù)網(wǎng)。

就這樣，日復(fù)一日，年復(fù)一年。到了2008年，納米藝術(shù)網(wǎng)居然收集了數(shù)千幅納米美圖，其中還包括課題組創(chuàng)作的《納米五星紅旗》、《沖殺》等作品；期間，我也陸續(xù)發(fā)表了10余篇納米藝術(shù)的相關(guān)論文。2008年夏，我又和幾個研究生一道，開始著手對收集的納米藝術(shù)作品進行梳理，撰寫國內(nèi)外第一本納米藝術(shù)專著——《納米藝術(shù)概論》。2010年，課題組和同濟大學(xué)的知名教授時東陸教授一起，在蘇州成功舉辦了迄今為止國內(nèi)最大的納米藝術(shù)科普展。那時候，《納米藝術(shù)概論》一書也剛好完稿、正式出版，并在那次納米藝術(shù)展開幕式上簽售。

納米分子槍

2004年，課題組里曾發(fā)生了一件值得一提的事情，那就是我和一位研究生設(shè)計了一款“分子槍”。當(dāng)時，一位研究生被安排做納米碳管的填裝研究方向。具體來說，就是在電腦上模擬納米碳管內(nèi)填充富勒烯、DNA鏈、美沙酮等小分子，進而探討納米碳管中小分子的定向反應(yīng)和傳輸特性。

有一天，一件有趣的事情發(fā)生了。這位同學(xué)在納米碳管中加裝螺旋DNA直鏈和C60小球分子；當(dāng)DNA“軸”轉(zhuǎn)動時，DNA螺距間內(nèi)的C60分子竟然會在納米管內(nèi)移動，從一端運輸?shù)搅硪欢?。這正如現(xiàn)實生活中的絞肉機：肉從一端加入，螺旋軸旋轉(zhuǎn)時，肉餡就會沿著螺桿軸從另一端輸出。于是，一個奇特的想法在他腦海中閃過：如果納米碳管內(nèi)的DNA軸轉(zhuǎn)得足夠快，C60分子不就可以像子彈一樣，從碳管一端射出。這不就是一款貨真價實可以發(fā)射分子“子彈”的槍嗎？

經(jīng)過討論后，我們立馬投入“分子槍”的設(shè)計。省略過程，直接說結(jié)果吧。“分子槍”的最終設(shè)計采用了NANOXPLORER分子器件設(shè)計軟件；“槍”管為一直徑約2納米、長25納米的粗納米碳管；“子彈”為C60球形分子；“子彈”填裝口為一段0.9納米直徑的細納米碳管；“槍芯”為一段長約20納米的DNA“螺桿”，由端部脈沖雙激光束驅(qū)動其旋轉(zhuǎn)，可將填充口填充的C60“子彈”從槍口發(fā)射出去。

該“分子槍”設(shè)計我們前后花了大約1個月的時間。現(xiàn)在看來，設(shè)計它也許僅僅是出于一時興起，但在整個設(shè)計過程中，我們對分子模擬的原子力場、相應(yīng)的分子設(shè)計軟件使用，由陌生變得嫻熟，開闊了眼界，提高了能力。

一只蒼蠅有多大勁兒？

2013年8月，光明日報等諸多媒體報道了我們課題組的蟬動力飛機成果，轟動一時。然而，此項工作卻源自于我的一位研究生對國外昆蟲飛機研究的調(diào)研和追蹤。

近年來，媒體上報道了不少歐美國家關(guān)于蒼蠅、蚊子等昆蟲飛機在未來戰(zhàn)場上的應(yīng)用，簡直吹得是神乎其神。為此，一位研一的學(xué)生被我安排調(diào)研該方向的研究現(xiàn)狀。數(shù)日下來，學(xué)生沮喪地反映，只查到了一些泛泛報道，實質(zhì)性的技術(shù)細節(jié)一無所獲。冷靜下來后，我們又展開了一次深入的討論。最終，討論結(jié)果落到了“一只蒼蠅飛行時的動力到底有多大”的問題上。因為，一只昆蟲要戰(zhàn)場上取得應(yīng)用，要收集情報，就得加裝攝像圖、竊聽器等情報采集裝置，而這些設(shè)備要工作得有電源供電。顯然，只有知道昆蟲的飛行動力有多大，才能根據(jù)“推重比”（推力和重量之比）來反推昆蟲的負載能力，進而估算出情報采集設(shè)備（含電源）的重量與大小。

一只蒼蠅飛行時到底有多大動力？問題就擺在了眼前?？嗨稼は牒螅罱K我們發(fā)明了一套簡單實用的裝置和測試方法：在木底座上豎起一根碳纖維桿；將一只活蒼蠅通過一條細線懸于碳桿頂端；驅(qū)趕蒼蠅時，蒼蠅會飛開并拉彎碳桿，通過攝像機記錄碳桿的彎曲擾度，并結(jié)合碳桿的剛度，就可得到蒼蠅的飛行拉力。經(jīng)過試驗，最終發(fā)現(xiàn)，蒼蠅飛行的拉力可達到0.1克，其推重比驚人地高，約為2.5，為美國最先進的第四代戰(zhàn)機F22引擎的2倍。

盡管如此，0.1克量級的重量對于當(dāng)下的情報采集設(shè)備技術(shù)來說，實在是太苛刻了。于是，我們果斷放棄蒼蠅、蚊子等小昆蟲，將目光轉(zhuǎn)向體型較大的蟬。這一次，工作進展得比較順利。2013年8月，課題組蟬地面行為遙控實驗完成，緊接著研制成功了一枚蟬動力遙控微型飛機樣機。目前，該蟬動力遙控微型飛機已經(jīng)獲得了國家專利。

這里，還有一件事要交代。我們曾自制了專門的籠子滿世界抓蒼蠅，辛辛苦苦抓來的蒼蠅死了扔掉太可惜。我們的研究生好有才，竟然用這些蒼蠅的尸體，采用擬人的手法制作了一套惟妙惟肖的3D連環(huán)畫——《蒼蠅飛機男的一生》。后來，該連環(huán)畫還上了《勞動報》呢。

微型仿飛魚滑翔機

自然界中除了禽類、昆蟲以外，還有許多會飛行的動物，相比之下，人類的航空史僅有百十年。人類要自由翱翔，有許多地方需要向動物學(xué)習(xí)。為躲避鯊魚等其他魚類捕食，飛魚經(jīng)常會躍出水面，在空中滑翔。資料顯示，一些飛魚的跳躍高度可達一米多，滑翔距離甚至可以超過10米，具有極其優(yōu)越的“飛行”性能。

2014年，借助三維打印技術(shù)，我和一位研究生針對飛魚開展了計算機建模、風(fēng)洞試驗、飛魚飛機制作等一系列仿生研究工作，并成功試飛了一架飛魚仿生微型電動自由飛滑翔機。

這件事說起來容易，但做起來卻并不簡單。要仿生飛魚，首先要建立飛魚的立體模型。為此，我們搜索遍了網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果只發(fā)現(xiàn)若干飛魚的圖片和文獻，以及一些其他常見魚種如鯉魚的三維CAD幾何模型。我們也跑了多家上海的大型水產(chǎn)市場，終究沒有發(fā)現(xiàn)飛魚的身影。

怎么辦？最后，我們想出了一個迫不得已的辦法：那就是在已有鯉魚三維CAD模型的基礎(chǔ)上進行修改，整出一個飛魚的三維模型來。按照這樣的思路，我們從網(wǎng)上下載了鯉魚的三維數(shù)字模型，從市場上還專門買了兩條鯉魚，通過對比、測量，確認了鯉魚三維數(shù)字模型的正確性。接著，參照飛魚的照片對鯉魚數(shù)字模型進行“修形”和“整容”，即在電腦上給魚兒瘦身、拉長胸鰭，削尖尾鰭……經(jīng)過一通“折騰”，這位研究生終于做出了飛魚的三維幾何模型。

建模完成后，通過課題組的三維打印機直接打印出了飛魚的三維模型實體；緊接著，將該三維飛魚模型實體放置于學(xué)院的風(fēng)洞，進行吹風(fēng)試驗，進而獲得了飛魚滑翔中的空氣動力學(xué)特性數(shù)據(jù)。直接將動物三維打印出來，并進行風(fēng)洞試驗，這在國內(nèi)外尚無先例。風(fēng)洞試驗結(jié)果顯示，在很大迎角范圍內(nèi)，飛魚的升阻比（升力和阻力的比值）都能夠維持在5～6之間，這是普通室內(nèi)微小飛機升阻比的上限。這說明飛魚具有極佳的氣動性能。

有了飛魚的氣動性能數(shù)據(jù)，用泡沫材質(zhì)按比例制作出放大的飛魚，再加裝實驗室里先前的微小飛機電機、鋰電池等電子設(shè)備，一架微型飛魚仿生電動滑翔機便制作完成。2014年5月，課題組對該飛魚仿生微型電動滑翔機進行了試飛?；铏C從頭頂飛過，姿態(tài)平穩(wěn)，飛行效果良好。

責(zé)任編輯：曹曉晨