全国科普月 ｜ 跨界融合创新：新材料与多领域协同发展路径

首届全国科普月各项活动异彩纷呈，浓厚的创新氛围更是引爆人气。在中国科协青少年科技中心(中国科协科普活动中心)主办的“智汇青春·科创成果向未来”主题展示活动中，新材料以及多领域协同发展赛道成为了观众关注的焦点。包括清华大学和中国人民解放军空军工程大学在内的高校更是“八仙过海，各显神通”，在新材料多领域协同发展领域走出了一条创新之路，也为整个活动增添了跨界融合创新的底色。

两栖机器人：跨学科协作结硕果

在活动现场，清华大学微型无线陆空两栖机器人展示吸引了大量青少年围观。该机器人融合了力学、材料学、电子控制等多领域技术。研发团队在攻克“连续变形与锁定”这一技术难题时，将跨学科协作和创新发挥到了极致。

一直以来，清华大学科研团队致力于应用力学原理解决前沿交叉领域的一些基础科学问题和挑战。团队成员学科背景多元，涵盖力学、材料科学、微电子科学、机器人科学等多个方向。

在攻克机器人“连续变形与锁定”的过程中，团队以力学为牵引，合理设计结构，结合数值仿真与模拟，实现了驱动器丰富多样的几何构型；随后团队又引入了材料科学，利用先进的智能材料让驱动器不仅“动起来”，更能“锁得住”；再利用微电子科学和电路设计触发智能材料，控制机器人行为。同时，研发团队充分利用空气导热性能较差的特点，调整两类材料的空间排布间隔，消除电热控制过程中的热串扰。经过了近六个月的反复试验与尝试，最终实现了陆空两栖机器人的总体设计和优化。

与微型机器人中常用的传动机构与微型电机组合的驱动方式相比，陆空两栖机器人驱动器的最大优势在于重量轻、厚度薄、体积小等优势，可实现连续变形和任意构型锁定，运动形式更加多样。目前，该技术在国际上处于较为领先的地位，充分彰显跨学科协作突破技术瓶颈、推动技术创新的巨大潜力。

智能匠心：将“锻造”与“打印”融为一体

高端装备的核心部件制造直接关系到国防安全与科技进步。在此次展示中，中国人民解放军空军工程大学与西空智造强强联合的研发团队研发的“激光锻打印技术”引发观众啧啧称奇。

一直以来，空军工程大学致力于航空航天高端零部件的抗疲劳制造研究。增材制造作为前沿成形技术，具有高自由度和快速成形的优势，但其快速凝固带来的非平衡热力学效应，也导致了微观组织不均匀、内部缺陷及高幅值残余拉应力等问题。这一瓶颈促使团队决心攻克金属增材构件“易疲劳损坏”的国际难题。于是，“激光锻打”技术应运而生。

将“锻造”与“打印”融为一体的理念，源于团队在“激光冲击强化”领域长达十余年的技术积累，以及对增材制造瓶颈问题的深刻洞察。在技术上，激光锻打要实现“边打印边锻造”的精妙控制，核心在于一套极高速、高精度的闭环控制系统。必须实现感知与决策的同步。为此，团队开发出在线监测系统，实时捕捉熔池形貌、温度场等关键信号；控制系统则依据这些数据，毫秒间动态调整超快激光的冲击能量、重复频率及扫描路径，实现对冲击“力场”的精确闭环控制。

最大的挑战来自于如何让“热打印”(粉末熔凝)与“冷”锻打在时间和空间上实现无缝衔接且互不干扰。通过精确控制激光束的开关、定位和切换时序，确保在每一层打印完成后，高能冲击波能即刻对尚处于特定温度区间的熔覆层进行微观锻打，实现改性，而非破坏。

实践是检验真理的唯一标准。在实验中，团队观察到大量超出预期的现象和数据。这些珍贵的实验数据，促使团队重新审视和修正初始的理论模型，从而揭示了更深层次的科学规律。这个“假设-验证-修正”的循环，推动了科学认知与工艺能力的螺旋式上升，充分验证了一个从原理突破，到技术实现，再到工程成熟的持续创新与迭代过程，是团队跨学科协作的一个里程碑。

打破壁垒：在实践中锤炼创新能力

清华大学的微型无线陆空两栖机器人的研发，经历了跨领域、多学科的融合创新。团队成员在讲解中反复强调，跨领域多学科协作是未来科创的主要趋势。作为新时代的科研工作者，在专注于自己研究方向的同时，必须广泛涉猎更多其他学科的研究进展，逐渐形成多学科交叉融合解决前沿科学领域基础问题和挑战的思维模式和研究方法。

中国人民解放军空军工程大学的研究团队则表达了对“跨领域、多学科”融创的理解和认知。他们表示，科研工作者应摒弃先学理论再做实验的线性模式，应该在攻克具体技术难题的过程中，自发地意识到理论知识的不足，并立刻能将所学应用于实践。这种“需求牵引”式的学习，是培养融合能力的最有效途径；其次，实践出真知，在实验室里亲手做出可靠的数据、制备出高质量的样品，其价值与提出一个新理论同样重要；同时，要构建跨学科导师生态，实行“双导师”制，鼓励甚至要求团队同时接受来自不同领域导师的指导。跨界的思维碰撞能从根本上建立起融会贯通的能力，理解从“原子”到“零件”的全链条创新逻辑。

来源: 中国科协青少年科技中心