“你不適合讀博，博屢不科也不適合做科研。受挫說眼”18年前，到優低導師對王鉆開說的秀科學家學網這番話，幾乎斷送他的高手學術生涯，那時能拿博士學位竟成了一種奢望。研新

讀博歷經三次波折，聞科夢想一次次被碾碎又一次次再重塑，從讀他不愿認命、博屢不科不肯放棄，受挫說眼逆風翻盤，到優低在43歲那年發表了第一篇Nature論文。秀科學家學網這些年在Nature、高手Science、研新Nature Physics、Nature Nanotechnology、Nature Materials等雜志上發表論文200余篇，被引1.9萬多次。連續兩年入選科睿唯安全球高被引科學家。

最近，香港理工大學機械工程系教授王鉆開團隊又完成了一項十分有趣的研究。他們與中山大學先進制造學院副教授吳嘉寧合作，在蜜蜂的啟示下，構建彈性仿生剛度梯度彈射器，并開發出仿生機器人。更妙的是，這種仿生機器人還能與太陽能板相結合形成自清潔系統。相關研究論文發表在Nature Nanotechnology。

王鉆開  受訪者供圖

一把神奇的“梳子”，一項新奇的發明

過去十幾年，王鉆開一直在思索一個問題——如何讓物體表面實現自清潔功能。例如我國西部的太陽能板蒙塵后性能會大打折扣，而當地缺水又給清潔工作增加了難度。如果太陽能板能自己變干凈，那該多好。

對大自然有著細膩觀察力的他，在小蜜蜂身上捕捉到一個神奇的現象，為研究自清潔提供了靈感。

很多昆蟲的前肢上都存在一把“梳子”，像螞蟻在用“梳子”清潔完觸角后，會使用口器對“梳子”進行清潔，以便下一次使用，但蜜蜂卻很少有“梳子”清潔行為。蜜蜂在無數花朵上停留采集花蜜和花粉，雖然經常用這把“梳子”清潔觸角，但不用清理“梳子”便可立馬飛向下一朵花繼續工作。

“我們懷疑蜜蜂有自清潔的本領?！弊鳛樽罱@篇論文的通訊作者，王鉆開對《中國科學報》說。但蜜蜂太小了，僅靠肉眼觀察，很難窺其真諦，于是他們進一步做微觀表征，用高速攝像機拍下蜜蜂清潔觸角的過程，結果發現蜜蜂前肢上的“梳子”刷完觸角后，粘上的顆粒都被彈出去了。

“這一切僅發生在幾毫秒之內，顆粒是以很高的加速度彈出去的，因此我們猜測蜜蜂的自清潔能力是利用了一種彈射機制，而非重力作用下的自由落體運動?！闭撐牡谝蛔髡?、香港城市大學機械工程系博士張威在接受《中國科學報》采訪時說。

進一步揭示其機理發現，“梳子”由很多梳毛組成，每根梳毛長約38微米，上面有跨越近兩個數量級的剛度梯度，其尖端是軟的，但到根部逐漸變硬。當刷觸角時，“梳子”彎曲變形儲存彈性能量，那些巧奪天工的剛度梯度結構可增大彈性能量的儲存，加速彈性能的釋放，縮短能量“爆發”的時間，產生并輸出更大的慣性力，以克服黏附力，將花粉和灰塵顆粒飛速彈出去。

破解彈射機制后，王鉆開團隊要做的就是把設計如此精妙的微觀結構在宏觀層面實現。而要達到清潔效率的提高，就需要設計類似的剛度梯度，這一點十分困難。

一般的材料都是同質的，研究團隊嘗試了很多種方法，經歷了許多失敗后才讓材料最終實現了漸變，并制造出仿生剛度梯度彈射器，其楊氏模量從尖端的2兆帕逐漸增加到根部的150兆帕，能真正實現“居塵不染塵”。

在此基礎上，他們還開發出自清潔機器人。很多戶外大型基礎設施都受灰塵的困擾，人工維護所需的精力和成本頗高，如果能在這些設施上布置自清潔機器人，便可一勞永逸。比如在太陽能板上安裝自清潔機器人后，既省成本，還可長期維持表面清潔，保障穩定的電能供應。

這樣的設計思路也為生物材料、功率調制以及能量轉換等領域研究提供了重要參考。

兩次讀博被“開除”，“堅持”改變命運

王鉆開先后在吉林大學、中國科學院上海微系統與信息技術研究所獲得學士和碩士學位后，對科研有了更多的期待。在出國浪潮高漲的2003年，本來碩博連讀的他放棄了繼續讀博的機會，選擇出國深造。他向新加坡和美國的10所大學遞交了博士申請，只拿到了來自美國波士頓大學的唯一offer。

彼時，在王鉆開心目中，微電子代表著先進科學的方向，是時髦專業，也好找工作，于是第一學期他選的都是射頻電路、集成電路等和所在的機械系不太相關的課程。由于英語聽力存在短板，再加上此前從未接觸過這些課程內容，王鉆開的幾次考試成績都不理想，這給他帶來了極大的壓力。

因為學習上達不到要求，導師讓他換課題組，相當于被“開除”了。

很快，王鉆開轉到一位新入職的年輕老師組里，成了她的第一名博士生。但這樣的倉促選擇又埋下了不好的伏筆。新導師安排的課題是用納米壓痕測量水凝膠的力學性能，這讓好不容易從機械轉到微電子的王鉆開大失動力，眼高手低的他自作主張做起了別的課題，但由于實驗能力太差，幾乎毫無進展。

實驗室簡陋、設備不齊全，也讓曾在國家重點實驗室待過的王鉆開有了很大的心理落差，產生了消極怠工情緒?！澳菚r候太膚淺，也太依賴已有的平臺，以為科研就是拼設備?！?004年5月3日，王鉆開永遠記得這一天，他收到了導師發來的“掃地出門”的信。按照美國高校規定，4月15日各大院校錄取早已截止，錯過校招時間的王鉆開，心情瞬間跌入谷底。

王鉆開心有不甘，也不想就此灰溜溜回國，他抱著“死馬當活馬醫”的心情，給多國高校共發出100多封申請信，但只收到兩封回信，且都不是很理想。5月9日，他繼續向全球各地的高校爭取一線生機，一直寫信到凌晨4點，波士頓的綠線地鐵早已停運，只能步行回家，黑暗中踽踽獨行的身影落滿狼狽。

好在天無絕人之路，王鉆開收到了美國倫斯勒理工學院教授Nikhil Koratkar的回復，成功申請到2004年秋季的博士。

一年半的時間里，王鉆開就換了3個實驗室，經歷一連串打擊后，他變得敏感，開始琢磨老師的每一個眼神，每日戰戰兢兢，很害怕自己再次被開除。久而久之，他與導師越來越疏遠，幾乎毫無交流。在如此高壓的籠罩下，王鉆開各方面都表現不佳，課題也止步不前，這讓導師產生了攆人的想法。

12月23日這天，大雪紛飛，氣溫跌到了零下15攝氏度，Koratkar把王鉆開叫到辦公室說：“我覺得你不適合讀博，也不適合做科研。如果資格考試你沒通過，半年后走人；如果通過資格考試，我也未必留你。為了保險起見，下學期你多修一些課，就不要再做研究了，這樣至少可以拿個碩士學歷。”

眼看著剛剛打開的窗戶又要關閉，王鉆開提醒自己一定不要再次錯失機會。已經沒有課題可做的他，把主要精力放在應對資格考試上，但做研究的這束火苗并未被就此撲滅。

一次偶然的機會，他從材料系教授Ajayan課題組做博士后的慈立杰那里獲得了一些碳納米管樣品。他本能地將一滴水放在碳納米管表面上，小水珠呈現出荷葉上的球狀，格外晶瑩剔透。這種現象叫荷葉效應，雖然已有人在該領域做出開創性研究，但對王鉆開來說卻是第一次接觸到。

“我在液滴上加了兩伏電壓，液滴完全鋪開并浸潤到碳納米管里面。當我把反向電壓加到100伏時，液滴卻沒有任何變化。我立即把這一現象告訴了導師，他興奮極了，甚至認為這個發現可以發Nature?！蓖蹉@開說。

“一滴水”讓王鉆開的科研生涯發生了逆轉，他重拾信心和動力，全身心撲在科研上，最終把這項研究發表在材料學領域頂刊Nano Letters上，并獲得了“全美杰出材料研究生銀獎”和“國家優秀自費留學生獎”。這個工作后來甚至被諾貝爾獎得主K. S. Novoselov在Nature論文中引用。

回國繼續科研夢，讓“冷門”領域回暖

博士順利畢業后，王鉆開并未留在美國發展，而是選擇回國一展宏圖。

2009年底，王鉆開入職香港城市大學，拿到20萬港幣的啟動經費，實驗室不足10平方米。在那樣艱難的歲月，他招到了第一名博士生陳雪梅（現為南京理工大學教授），專業是壓電陶瓷?？粗逃尘安荒敲慈A麗的學生，王鉆開仿佛看到了當年的自己，年輕時的心高氣傲或許根本看不上這樣一個一無所有的實驗室。

“輾轉美國3個實驗室的經歷，讓我明白，科研并不僅僅是拼設備，更多的是思想的競賽，用最少的錢產出更多的新知識、新思想、新體系。”王鉆開說。

而且，對科研的重新認知也讓他不再抵觸自己的老本行。機械工程已有200多年歷史，是一個相對“冷門”的學科，這個領域幾乎與Nature等頂級學術期刊絕緣，“做‘冷門’研究，難度系數更大。但俗話說，‘風浪越大魚越貴’，我很想把這樣一個相對‘冷門’的領域復活”。

這些年，王鉆開真的把這門古老的學科做出了新花樣。

2014年，他發現了一滴水能呈餅狀從表面彈起，并揭示了液體和固體相互接觸最短時間的極限，這一研究成果入選吉尼斯世界紀錄，也被Nature Physics評為過去15年15篇代表論文之一。

2020年，他發現了一滴水可以發電，一滴雨水的動能可點亮100個小LED燈，這項研究發表在Nature上。這一年，他獲得了“科學探索獎”。2022年，他加入了香港理工大學。

如今，王鉆開在Nature、Science、Nature Physics、Nature Materials等雜志上發表論文200余篇，被引1.9萬多次。在被大家吐槽為“天坑”之一的機械工程專業，王鉆開用實際行動和杰出成績扭轉了“口碑”，讓其魅力和前景被更多人看到，“冷門”逐漸轉變為“熱門”。

從他的實驗室里走出來的學生，也在許多領域取得了不斐的成績。對于自己曾經犯下的錯誤，王鉆開從不避諱，常以己為誡引導學生?！白隹蒲幸欢ㄒ徊揭徊阶?，切勿好高騖遠。如果我的經歷能對在讀的博士生有所啟發，我就很欣慰了?！?/p>

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41565-023-01524-x