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中国故事100部|石墨烯上天籁“声”——“重庆英才·青年拔尖人才”陶璐琪的两个世界

文章来源:七一客户端 作者:CQDK全媒体记者冉开梅 冯驿驭 发布时间:2021-03-03 08:46:10 字体:

 

 

 

 

对“重庆英才·青年拔尖人才”、重庆大学博士生导师陶璐琪来说,他的日常就是穿梭于两个世界。
一个世界是学术的、严谨的,用实验、数据和理性构筑,在这个世界里,他不动声色地积蓄着能量,朝着他心中的“珠穆朗玛峰”不断攀登向上。
另一个世界是生活的、平和的,用真心、耐心和感性构筑,在这个世界里,他会自掏腰包督促学生健身,也会为了指导学生完成学术项目而不眠不休。
科研与教学,两个世界交叉重叠,互相支撑。在陶璐琪看来,科研就是探索未知的世界,注定一路艰难,如果不保持良好的心态则难以取得成功,而教学则是一群志同道合的人走到一起,互相学习,一起在前进的道路上不断钻研探索。

陶璐琪展示研发中的声学器件

新星
“二下五去三、三下五去二、四下五去一……”在陶璐琪的印象中,童年生活给他留下的最深印象便是父亲敲击算盘时的口诀和算珠碰撞的清脆响声。
那时,陶璐琪的父亲是一名会计,业余时间喜欢把陶璐琪和邻居家的孩子召集在一起,坐在院子里的大树下,给他们讲解数学运算。
起初,一有空闲孩子们就搬着小板凳在院中等着听课,可随着新鲜感的消失,小朋友们一个个对加减乘除失去了耐心,转而跑去追逐打闹。只有性格安静的陶璐琪留了下来,认真听着父亲讲数学知识。
嬉戏声不断在耳畔回响,身处这样的喧闹中,陶璐琪仍能静心学习。这份心无旁骛的认真劲儿让陶璐琪在成长的道路上受益良多,以至于从小学一直到本科毕业,他的成绩始终名列前茅。
2011年,因学习成绩出色,陶璐琪成为清华大学微纳电子系的直博生。从大四下学期在清华校园里做毕业设计开始,陶璐琪就踏上了他的科研之路。
“其实那时对于科研的概念并不清晰。”陶璐琪觉得,最初接触科研时,他感觉到更多的是前进道路上的未知和迷茫。
尽管会感到不知所措,但陶璐琪依旧乐观。他想着,不如先打好基础,积累经验,专注做好手头的工作。
他的师兄兼室友田禾跟他在同一个实验室做实验。“师兄做事非常较真,连打游戏都要用科研的态度对待。”陶璐琪说,在师兄的影响下,他慢慢适应了各种实验项目。
科研的未知渐渐露出可爱的一面,陶璐琪开始“上道”了。
读博第一年,陶璐琪将全部时间花在了做监测水质中氮磷钾元素的研究上,并成功申请了专利,还顺利成为课题组中水质检测研究方向的开创者。读博第二年,在水质检测领域有了一定成就的陶璐琪又更换了研究方向,走向了石墨烯声学研究。
变更研究方向,这意味着之前的努力将前功尽弃。
“你就放心大胆地做吧,课题组在这方面已经有20多年的研究经验,研发出了很多声学器件,而且近年来导师又研发了基于纳米材料的新型声学器件。树都给你栽好了,你浇水就行了,肯定能开花结果。”田禾的一番话,让陶璐琪决心沉下心来,专心从事石墨烯声学研究。

陶璐琪在与学生一起测试声学器件

攀登
石墨烯声学实验需要调整的参数非常多,且相关的支撑理论不完善。为了丰富理论储备,陶璐琪在一年内学习了1200余篇文献,但是做实验的过程仍然十分艰难。
“最大的干扰要数楼下的微纳加工平台发出的排风噪音。”陶璐琪回忆。为了躲避噪音,他拉着30公斤重的实验设备,跑到校外一家公司的消音室做实验,这样坚持了大半年,却收效甚微。
“感觉进入了瓶颈期,单靠个人能力无法再继续推动石墨烯声学研究了。”陶璐琪找到导师求助,希望换换思路,做点石墨烯力学方面的工作。
“可以,去大胆做吧!我相信你,一定能出大成果的。”导师给予了陶璐琪充分的信任和支持。
但接下来的声学实验中,测试结果同样不理想。“数值在某个频段会出现异常跳变。”陶璐琪说,他和团队对实验过程和实验室内的设备逐一进行了细致排查,也未能发现任何可能导致故障的蛛丝马迹。
诡异的现象让实验进度停滞不前。但在一个毫无征兆的深夜,忙碌了一天的陶璐琪正准备下班休息,关闭实验室设备前,他突然想再测试一次。就在这时,声学设备的“嗡嗡”声又响了起来,四下寂静的环境里,这声响格外清晰。显示屏上,实验数据的曲线规律地呈现在了陶璐琪眼前,他观测到了一个近乎完美的测试数值,和理论预想一模一样。
测试结果不理想的根源终于找到了,源自白天其他仪器设备发出的超声噪音!无数个深夜的苦思冥想,在这一刻豁然开朗。
“那时几乎每天都在凌晨1点左右回宿舍,然后写文章到4点左右。”陶璐琪笑着说,自己每天都能保证4个小时的“充足”睡眠。
科研的艰辛也让陶璐琪发现了一个规律——有的科研成果源于无数精心构思的设计,有的则源于偶然乍现的灵感,而科研工作者必须具备的,就是把这种灵感转化为学术成果的能力。

陶璐琪在2020英才大会上留影
突破

乍现的灵感加上深厚的沉淀,让陶璐琪在科研道路上走得越来越得心应手。
在一次研究团队的会上,陶璐琪为新同学介绍师兄田禾研发的石墨烯狗用耳机。这种耳机以石墨烯为材料,能够发出犬类能听到的超声,从而实现人与犬类通信。
“这样一来,岂不是我们也能听懂狗说的话了?”交流过程中,一位新同学发问。
这个问题让会议气氛变得轻松起来,大家当成玩笑一笑了之。但陶璐琪却反复思考这个问题——既然能向狗发送它们听得懂的信号,那么是不是也可以尝试理解狗给出的信息?同理,能不能做一个基于石墨烯材料的翻译器,去翻译一些对人来说听不懂的语言,比如听力和语言障碍的患者发出的“咿咿呀呀”的嗓音。
“科研结果能应用到社会,切切实实地为人们的生活带来便利才是最接地气的。”陶璐琪说,以这一思考为基础,2017年,他把研究目标锁定在了“智能石墨烯人工喉”上。
当时,陶璐琪所在的课题组发现了一种名为“多孔石墨烯”的材料,该材料具备适配人体、能发出声音的特性。由此,课题组成员们想到利用多孔石墨烯材料的优势,制造一种收发同体、适合穿戴的集成声学器件。
这种集成声学器件,利用石墨烯的热声效应来发射声音,其多孔结构对压力也极为敏感,能够感知发声时喉咙处的微弱振动,可以通过石墨烯的压阻效应接收声音信号。因此,这种器件能够准确感知聋哑人低吟、尖叫等特殊声音,同时将这些“无含义声音”转换为频率、强度可控的声音,并有望在将来转换为预先录制的语言。
“研究需要基于聋哑人自己的发声特点,将不同强度和不同频率的低吟、尖叫音进行排列组合,形成聋哑人的‘语言编码’。”陶璐琪表示,每个聋哑人编码后的发音,就像键盘上的字母,通过不同排列组合,可以表达出连续、完整的语义。
此后,这项成果也荣获2017年“中国十大重大技术进展”以及首届中国国际智能产业博览会十大“黑科技”创新产品。

陶璐琪在实验室给学生授课


初心
“来重大,继续做科研吧!”2018年夏天,陶璐琪隔三岔五就会收到博士时期的师兄、重庆大学光电学院教授陈显平发来的讯息。
彼时,重庆大学电气工程学院成立了协同创新中心,急需招聘科研人才。担任协同创新中心主任的陈显平第一时间便想到了陶璐琪。
“我们一直强调产学研结合,但一些新技术的转化周期会比较久,落地比较困难。”2017年底,陶璐琪暂停科研工作去到企业发展,但师兄的讯息,又把他的思绪从企业工程师“拉”回到了当初那个实验室的少年身上。
“比起到企业工作,我还是更痴迷于做研究。”陶璐琪觉得,科研工作者通过反复实验,去穷尽每一种可能,获取一些微小的进步与全新的发现,是非常有意义和价值的。
终究,时光的积淀捂不住陶璐琪投身科研的心。2018年10月,陶璐琪来到重庆大学,任能源互联网及智能装备重庆市协同创新中心副主任,又一次开始了全新的研究。
工作的环境和岗位变了,做研究的初心没有变,陶璐琪始终聚焦解决“人的问题”。
细心的陶璐琪发现,诸如心血管疾病、睡眠呼吸暂停综合征等疾病死亡率居高不下,这类疾病死亡率较高的主要原因,主要是病情发生后缺乏及时的预警措施,致使病人无法采取预防手段,进而错过最佳治疗时机。
能否开发一款集集成检测和报警功能于一体的电子器件来缓解这一问题?
于是,经过反复研究,2019年底,陈显平与陶璐琪团队便提出了这种监控预警于一体的呼吸预警类新型电子器件构想。
“倘若患有睡眠呼吸暂停综合征的患者睡着睡着突然呼吸中断了,这个器件便会通过呼吸气流对冲到传感器件上,以此发出警报预警。”陶璐琪表示,器件其能够在200Hz到20kHz的宽带频率下发出声音,因此在检测到呼吸中断时会发出高频声音报警。
该方法将检测和报警功能集成在一个器件中,大大提高了系统的可靠性,为传感器的多功能集成开辟了一条新的途径。也正是基于此,相关论文一经发表便引发强烈反响。

陶璐琪在与组员一起测试声学器件


引领
1月8日,重庆大学电气工程学院实验室,阳光透过玻璃照射进来,堆满器材的屋子里一片明亮。
此时,陶璐琪正带着学生检测其制作的器件,四五个人凑在一起聆听着小纸条般大小的器件上发出的“吱吱”声。
在学生心里,陶璐琪是个“年轻帅气大哥哥”,和他在一起时丝毫没有隔阂。
李稳是陶璐琪指导的博士研究生,她到现在还记得报考博士时的情景。由于在深圳工作加之报考信息提交很晚,李稳抱着试一试的心态在凌晨向陶璐琪投递了邮件。
“没想到几分钟后就收到了回信。”李稳顿时觉得,秒回信息的导师一定很靠谱细心。
不久后,这种靠谱细心便得到进一步验证。在一次项目申报材料的制作过程中,几十页的PPT里,有一页上的一段文字字体格式不一样,这个不起眼的细节被陶璐琪发现了。整个材料制作过程中,陶璐琪亲力亲为帮学生查阅资料、改订格式,正是这种严谨细致的态度,带动学生们养成了一丝不苟的工作习惯。
在陶璐琪看来,做科研不仅需要一丝不苟的工作态度,同时还需要强健的体魄。他不仅每天要跑步数公里,还对学生们提出了特别的锻炼要求。
“清华大学的口号不是为祖国健康工作50年嘛。”陶璐琪也要求,他的学生们要经常锻炼身体。
“陶老师要求我们每周去健身房拍照打卡不得少于两次,如果坚持半年,就给我们报销一半的办卡费用,如果坚持了一年,就报销全部。”学生孙豪不好意思地说,陶老师的确是天天都去跑步,但自己还是没能坚持周周去健身房。
“健身打卡激励制度必须逗真碰硬了。”陶璐琪盘算着下一步计划……
从找寻聋哑人“开口说话”的方法到探索解决呼吸预警的健康问题,从学生日常生活的好朋友到学生科研道路的引导者,陶璐琪始终引领着他的团队不断向前。
“我们要把那些对社会有影响力的事放在第一位,不要去做浮躁的科研。”陶璐琪觉得,写真正高质量的文章,做出真正有影响力的科研成果才是最实在的事。

责任编辑:冉开梅

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