鄭 心 劉玉杰

相傳早在大禹時(shí)期，我國(guó)古代的勞動(dòng)人民觀察魚(yú)在水中可憑尾巴的搖擺而游動(dòng)、轉(zhuǎn)彎，于是他們就在船尾上架置了木槳，再通過(guò)反復(fù)觀察、模仿和實(shí)踐，逐漸改成櫓和舵，增加了船的動(dòng)力，掌握了使船轉(zhuǎn)彎的手段。在歐洲，列奧納多·達(dá)·芬奇（Leonardo da Vinci）通過(guò)研究鳥(niǎo)類飛行制造出第一個(gè)飛行器，400年之后，人們經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期反復(fù)的實(shí)踐，在1903年發(fā)明了飛機(jī)，使人類實(shí)現(xiàn)了飛上天空的夢(mèng)想。

以上這些模仿生物構(gòu)造和功能的發(fā)明與嘗試，被認(rèn)為是人類仿生學(xué)的先驅(qū)，也是仿生學(xué)的萌芽。達(dá)爾文在《進(jìn)化論》中提到：“物競(jìng)天擇，適者生存”。自然界的萬(wàn)物經(jīng)過(guò)數(shù)十億年進(jìn)化，得到了適應(yīng)各種各樣環(huán)境的先進(jìn)結(jié)構(gòu)與功能，非常值得材料科學(xué)家去研究和學(xué)習(xí)。

黃威正是研究仿生材料和結(jié)構(gòu)的一名青年材料科學(xué)研究者，他主要從事高強(qiáng)度抗沖擊生物和仿生復(fù)合材料的多尺度結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能研究，“我立足于高強(qiáng)度抗沖擊性能，研究仿生復(fù)合材料，學(xué)習(xí)生物體的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，努力將其中原理應(yīng)用于實(shí)踐，從而在國(guó)防領(lǐng)域和生命健康領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用”。

開(kāi)啟研究之路

2013年，黃威從華中科技大學(xué)材料工程專業(yè)碩士畢業(yè)。為了能進(jìn)一步深入研究生物材料，他決定出國(guó)深造，選定的學(xué)校是加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）?！癠CSD所在的圣地亞哥地區(qū)是世界上生物科學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域最強(qiáng)大的地區(qū)之一，而且坐落在海灘邊，環(huán)境優(yōu)美、氣候宜人。如果能在這里學(xué)習(xí)，在科學(xué)研究上一定能得到極大的提升?！北е@樣的想法，2013年9月，黃威搭上了前往美國(guó)的飛機(jī)，一段未知的旅程在等待著他。

到美國(guó)后，黃威迅速投入學(xué)習(xí)中，在這里，他遇到了他的博士生導(dǎo)師——材料科學(xué)領(lǐng)域著名專家喬安娜·麥基特里克（Joanna McKittrick）。“教授問(wèn)我選擇什么課題，我說(shuō)不知道，還在思考。而她也不催促我，只說(shuō)要帶我去海邊轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，最后我們?nèi)チ水?dāng)?shù)胤浅Ｓ忻乃箍死账购Ｑ笱芯克??！痹谒箍死账购Ｑ笱芯克?，黃威第一次看到了無(wú)脊椎動(dòng)物和脊椎動(dòng)物的標(biāo)本收藏，其中有些魚(yú)類已經(jīng)絕跡，這些標(biāo)本讓他大開(kāi)眼界，深受震撼。喬安娜導(dǎo)師告訴黃威，大自然是一個(gè)天然寶庫(kù)，他們作為材料科學(xué)家可以在其中得到啟發(fā)，去發(fā)現(xiàn)、尋找研發(fā)新材料的靈感。

黃威與妻子及導(dǎo)師喬安娜·麥基特里克（Joanna McKittrick）教授的合影

在這次短暫的參觀之行后，黃威確定自己的研究方向，開(kāi)啟了他在仿生材料方向的研究之路。

“我在博士期間主要跟著喬安娜導(dǎo)師參與了美國(guó)空軍科學(xué)研究辦公室的多校聯(lián)合資助（Multidisciplinary University Research Initiative，簡(jiǎn)稱MURI）項(xiàng)目，總經(jīng)費(fèi)750萬(wàn)美元?！秉S威介紹說(shuō)，這一項(xiàng)目名叫“從趨同進(jìn)化到工程應(yīng)用：生物復(fù)合材料和仿生材料的多尺度結(jié)構(gòu)和力學(xué)”，研究的是自然界生物經(jīng)過(guò)幾億甚至幾十億年的進(jìn)化后，在不同的條件下進(jìn)化出一些相似的結(jié)構(gòu)和功能以適應(yīng)相應(yīng)的環(huán)境。他們通過(guò)比較總結(jié)一些生物體的結(jié)構(gòu)，研究其力學(xué)性能，一方面想弄清楚為什么幾億年的自然選擇和進(jìn)化會(huì)得到這些特殊的結(jié)構(gòu)，在力學(xué)性能或者其他功能上有哪些優(yōu)勢(shì)；另一方面想把這些設(shè)計(jì)思想應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｉ钪兴玫降墓こ探Y(jié)構(gòu)和材料中。

這是一個(gè)多學(xué)科交叉項(xiàng)目，里面涉及生物、化學(xué)、物理、材料和力學(xué)等各方面的知識(shí)，由來(lái)自各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家共同合作，產(chǎn)出成果。參與到項(xiàng)目中的黃威在5年里也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步和成長(zhǎng)，成為一個(gè)能夠獨(dú)當(dāng)一面的研究者。2018年6月，他順利從USCD博士畢業(yè)，邁向下一站——加州大學(xué)河濱分校。

神奇的生物

黃威選擇河濱分校的原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)镸URI項(xiàng)目的總負(fù)責(zé)人大衛(wèi)·基塞盧斯（David·Kisailus）在河濱分校當(dāng)教授，“博士畢業(yè)后，我對(duì)這個(gè)項(xiàng)目很感興趣，于是就去了大衛(wèi)教授那里。”黃威解釋說(shuō)，他在河濱分校待了一年半后，又跟著大衛(wèi)教授搬到了加州大學(xué)爾灣分校，期間一直從事抗沖擊性能方面的研究。

黃威的主要研究對(duì)象是一種叫螳螂蝦的古老甲殼動(dòng)物。此種甲殼類動(dòng)物有兩個(gè)錘狀的掠食附肢，稱為“胳膊肘”（dactyl club），可用于猛擊和粉碎獵物?！案觳仓狻痹诠魰r(shí)能夠以80km/h的速度揮出有力的一擊，同時(shí)保持自身完好無(wú)損。

為了進(jìn)一步了解螳螂蝦的抗沖擊原理，黃威做了3個(gè)方面的工作。“一是結(jié)構(gòu)分析，因?yàn)檫@個(gè)蝦特別小，所以我們花了大量的時(shí)間研究它的結(jié)構(gòu)，看看它的‘胳膊肘’是怎么組裝出來(lái)的；二是力學(xué)測(cè)試，測(cè)試它是如何接受沖擊的，吸收的能量有多大，拿出具體的數(shù)據(jù)；三是最難的，如何把它抗沖擊的原理解析出來(lái)，通過(guò)理論計(jì)算、模擬沖擊等一系列的實(shí)驗(yàn)，得到最后的成果?！秉S威和研究團(tuán)隊(duì)采用透射電子顯微鏡和原子力顯微鏡檢查了螳螂蝦“胳膊肘”表面的納米級(jí)結(jié)構(gòu)和材料成分，確定表面的納米顆粒是由有機(jī)（蛋白質(zhì)和甲殼素）和無(wú)機(jī)（磷酸鈣）納米晶體交織而成的雙連續(xù)結(jié)構(gòu)。

“這種3D無(wú)機(jī)納米晶體是一種介晶，就像樂(lè)高積木堆疊在一起一樣，連接的地方在取向上有微小的差異。此種小角度晶界在高速?zèng)_擊下的斷裂可以吸收很大的能量，宏觀層面能將穿刺深度減少一半。”黃威說(shuō)道，“通過(guò)將此類微觀結(jié)構(gòu)與當(dāng)前先進(jìn)制造技術(shù)相結(jié)合，可以為具有廣闊應(yīng)用前景的新一代先進(jìn)材料提供潛在的設(shè)計(jì)方案，以用于建筑物、防彈衣、飛機(jī)、汽車、艦船、風(fēng)電葉片等的抗沖擊振動(dòng)及耐磨的涂層?！?/p>

以上研究于2020年以題為《一種天然抗沖擊雙連續(xù)復(fù)合納米顆粒涂層》（A Natural Impact Resistant Bicontinuous Composite Nanoparticle Coating）的論文發(fā)表在《自然·材料》（Nature Materials）上，獲得美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)主辦的全球科學(xué)新聞發(fā)布平臺(tái)“真相提示”（EurekAlert!）、美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)站（Phys.org）、美國(guó)《每日科學(xué)》（Science Daily）等主流學(xué)術(shù)媒體重點(diǎn)報(bào)道。

新的旅程

2021年7月，黃威結(jié)束了自己在加州大學(xué)爾灣分校的工作，前往香港科技大學(xué)機(jī)械與航空航天工程系擔(dān)任助理教授。在香港的一年時(shí)間里，黃威把自己的重心放在教學(xué)工作上，他將過(guò)往幾年的成果進(jìn)行了總結(jié)，在著名期刊《化學(xué)研究評(píng)述》（Accounts of Chemical Research）上發(fā)表了一篇題為《由甲殼質(zhì)支架組裝的堅(jiān)韌納米生物復(fù)合材料》（Nano-Architected Tough Biological Composites from Assembled Chitinous Scaffolds）的文章。

回首過(guò)往十多年的研究歷程，喬安娜教授是對(duì)黃威影響最深的人。“她可以說(shuō)是我的科研引路人，我當(dāng)時(shí)去美國(guó)，英語(yǔ)不好，也不會(huì)寫論文，是喬安娜教授一遍一遍地指導(dǎo)我，幫助我修改，直到最終完成。她的嚴(yán)謹(jǐn)和耐心，我至今都記憶猶新?！焙芸上У氖?，喬安娜教授已于2019年去世，但在黃威的心中，永遠(yuǎn)都會(huì)記得她。

而在生活中，黃威最想感謝的是愛(ài)人黃麗娟的支持?！拔疫@么多年到處奔波，妻子都陪在我的身邊，這讓我很感動(dòng)?！彼谠庥鲋卮蟠煺鄣臅r(shí)候，偶爾也會(huì)埋怨說(shuō)不想干了，而每當(dāng)這種時(shí)候，妻子就會(huì)陪著他，或者建議他開(kāi)車出去放松一下?！拔矣浀米x博的時(shí)候，我們最喜歡做的事就是出去自駕游，隨心所欲地在美國(guó)西部跑上一圈，現(xiàn)在想起來(lái)是一段美好的回憶?！秉S威感慨道。

2022年7月，黃威回到了自己的母?！A中科技大學(xué)擔(dān)任教授?！霸俅位氐轿錆h，回到母校任教，我感到非常榮幸。后續(xù)我也將繼續(xù)仿生學(xué)的研究，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)材料制備手段如三維打印等，將其應(yīng)用到和我們息息相關(guān)的工程材料中，例如，面向祖國(guó)的重大需求，將仿生高強(qiáng)度抗沖擊和耐磨材料應(yīng)用于國(guó)防領(lǐng)域；另外，自然界材料巧妙的思想也可以應(yīng)用到生物材料的設(shè)計(jì)和制備上，為我們的健康服務(wù)，例如骨骼和牙齒的修復(fù)材料?！?/p>

面向未來(lái)，黃威期待在華中科技大學(xué)這個(gè)平臺(tái)繼續(xù)聚焦仿生材料研究，并依托材料學(xué)院和材料成形及模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，堅(jiān)持四個(gè)面向，為祖國(guó)和人民貢獻(xiàn)自己的力量。