“天下之至柔，驰骋天下之至坚。
无有入于无间，吾是以知无为之有益。
不言之教，无为之益，天下希及之。”
—— 《道德经·第四十三章》
近日，南方科技大学材料科学与工程系教授郭传飞团队以“Highly stable flexible pressure sensors with a quasi-homogeneous composition and interlinked interfaces”为题在学术期刊Nature Communications上发表电子皮肤设计新理念。研究团队在文中提出了一种同质器件结构、微结构界面拓扑交联的柔性压力传感器设计策略，并实现了传感器-软体机器人的无缝集成。
今天，带你走近这位“刚柔并济”的南科大教授。
郭传飞简介
郭传飞，2016年加入南方科技大学，现任南方科技大学材料科学与工程系教授。主要研究领域为高性能电子皮肤、人体柔性电子技术、非常规微纳加工技术等。已在Nature Materials、Nature Communications、PNAS、LSA、JACS、Advanced Materials、Nano Letters、Advanced Functional Materials、Materials Today、ACS Nano等学术期刊上发表论文110多篇。申请专利40件，已获中、美、日等国专利授权23件，其中包括美国专利授权4件。参与编写英文专著一部。主持和参与广东省珠江人才计划“引进创新创业团队”、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金面上项目、深圳市基础研究学科布局等项目。
柔性电子领域
其实追求的是“刚柔并济”
电子皮肤是柔性电子领域的一个重要方向。对于不少人来说，柔性电子听起来很陌生，认为电子材料应该是刚性的，而不是柔软的，而且“刚”和“柔”听起来并不兼容，有个成语叫：“以柔克刚”。但实际上我们的手机、智能手表等电子设备上都使用了柔性材料，柔性电子领域其实追求的是“刚柔并济”。
“长在一起”的电子皮肤
电子皮肤或柔性压力传感器能够赋予智能机器人触觉感知功能，有望为机器人技术带来巨大变革。
传统的电子皮肤大多为多层异质结构，功能层的材料不同、弹性模量不同，存在显著的力学失配。此外，功能层之间往往通过简单的堆叠进行器件组装。这种具有异质结构、非粘结界面的器件存在界面不稳定的问题，在高剪切力条件下容易发生界面分层，进而造成传感信号失真、失效。此外，电子皮肤与软体机器人之间的界面同样存在力学失配和界面粘附力不足的问题。因此，解决柔性电子皮肤界面稳定性问题，同时实现高性能传感极具应用价值。
基于此，研究团队舍弃常规的传感器异质结构，提出“同质”结构设计理念，有效消除界面的力学失配。同时，在微结构界面引入拓扑交联，获得了高达 ~390 J·m-2的界面韧性和90 kPa的高剪切强度。
该研究的电子皮肤设计策略：传统传感器为多层异质结构，在形变下易发生界面破坏；本研究的同质器件结构和界面拓扑交联可以保持器件的稳定性
问：您最近发表了一篇关于高稳定性电容传感器的文章。文章中提出了一种“同质”的传感器设计新结构，抛弃了传统多层传感器的“异质”结构，达到了远远超过现有商业传感器的极高稳定性。您是如何想到从舍弃“异质”结构的？
郭传飞：这是我在实践中观察得出来的结论，换句话说，是从人的身上得到的灵感。人的感受器就长在人的身上，于是我就想，是不是可以设计一个传感器，使得各部分之间是“长在一起”的。“长在一起”可以很好地消除力学失配，而“长在一起”最好的方法就是“同质”结构。所以我们课题组提出的方法就是“‘同质’结构+拓扑交联”，“同质”结构相当于人感受器各个组织力学性能比较一致，而拓扑交联就是让它“长在一起”。
研究揭示了这种微结构界面的增韧机制：微结构形变引起的能量耗散，以及抑制裂纹快速扩展的“离散型断裂”。值得一提的是，这种设计不但能够提升器件的稳定性，同时还把器件的响应提升了30多倍，这来源于弹性体材料中掺杂导电粒子引起的渗流转变和微结构界面接触面积的增加两种效应的协同。
传感器贴附在汽车轮胎上的稳定性测试：传感器贴附在汽车车胎上（~300 kPa 的压力以及~6 kPa 的剪切应力）行驶2.6 km后仍然可以正常工作，没有观察到器件的界面破坏。
问：您刚才提到“拓扑交联”。课题组之前的工作中传感器都具有极高的灵敏度，这个工作中的“拓扑交联”是否会影响到传感器的灵敏度呢？
郭传飞：这实际上是一个平衡的问题。我们之前做的高灵敏度传感器用了离子凝胶，使用离子凝胶就注定了不能用“同质”结构。而事实上，我们这个传感器是电容型的传感器，属于介电传感类型。在介电传感类型的传感器中我们这个传感器的性能还是非常好的。我们这里有一个渗流转变的机制，这个机制可以提升灵敏度。我们的信号变化可以达到33倍，而传统的电子皮肤以及其相关的电子皮肤所实现的变化只有1倍左右。那么从这个角度而言，我们在稳定性和灵敏度方面同时得到了提升。
问：在您的论文中所举的例子里，我们生活中似乎没有见到有相关的场景。您能不能给我们讲一个生活中只有我们的极高稳定性传感器才能完成，而其他传感器都做不到的例子？
郭传飞：以“灵巧手”为例，目前它是机器人领域里非常重要的一个发展方向。灵巧手的抓取操作中，特别是抓质量较重的物体时，界面上会产生一个非常大的剪切力。那么在有大剪切力的情况下，就需要传感器有非常好的界面稳定性，不然就会发生分层。我们这个传感器正好为这个新的领域提供了技术支持。
问：您认为这项工作还有没有可以“更进一步”的地方？
郭传飞：有的。目前我课题组里的一些组员正在从事相关的研究，研究要怎么把界面韧性提到更高的水平。之前，我们课题组做到了390 J/m²，目前我有一个正在做毕业设计的本科生已经做到了超7000J/m²，提升了近20倍。这大大提升了界面的韧性，可以适应我们能想到的任何复杂的传感场景。
问：课题组在近期和可预见的未来是否有“终极大目标”？
郭传飞：我们的目标是我们所研究的传感器能够给机器人或者假肢提供触觉，像人的皮肤一样。这不是简单的压力传感，里面包括较为复杂的刚度识别，像人的皮肤一样可以识别不同织物等精细的触觉。我们想让传感器一方面可以适应精细的操作，另一方面也可以适应极宽的压力响应范围。这就相当于既可以完成体力活，也可以完成精细活。当两方面功能集成在一个传感器上时，就能够赋予机器人更丰富的触觉功能。
“刚柔并济”，在前沿领域贡献中国智慧
问：材料学的研究方向有很多，是什么促使您选择了与电子材料相关的电子皮肤研究呢？
郭传飞：电子皮肤是柔性电子领域的一个重要方向。对于不少人来说，柔性电子听起来很陌生，认为电子材料应该是刚性的，而不是柔软的，而且“刚”和“柔”听起来并不兼容，有个成语叫：“以柔克刚”。但实际上我们的手机、智能手表等电子设备上都使用了柔性材料，柔性电子领域其实追求的是“刚柔并济”。
柔性电子学是一个新的研究领域，具有广阔的应用前景，并且未来有可能能够颠覆人类的生活和生产方式，是未来科研的一个重要的方向。我们其实算是比较早进入这个领域的，在美国的时候我也已经在做这方面的基础研究了，加之我曾经做过微纳米加工方面的研究，微纳米加工能给柔性电子提供技术方面的支持，两者关系十分密切。目前来说，我国在柔性电子方面的研究在世界上处于较为前沿的位置，所以我选择这方面的研究，希望能够在为我国实现高科技自立自强贡献一点自己的力量。
问：您的求学与工作经历横跨太平洋，在国内外的几段经历里，有哪些让您印象最深刻的人和事？他们给您带来了哪些影响？
郭传飞：我在读本科期间，结识了几个志同道合的朋友，与大多数人不一样的是，我们聚在一起经常是讨论学术上的问题，而不是讨论去哪里玩、游戏怎么打。我想这是为我们扎根此领域的研究种下了一颗兴趣的“种子”。很巧的是，后来我们一起到中科院攻读博士研究生，在这个期间为后来我的科研道路打下了一个不错的基础，也让我养成了良好的科研和学习习惯。
我在美国期间的合作导师是波士顿学院的终身教授任志峰，与我们亦师亦友。他很喜欢在家里种菜，平时除了在实验室里做研究，其他时间经常去他家玩，一边种菜，一边聊天，偶尔还可以顺回去一点他种的菜。我经常会去回忆在学习和生活中导师跟我说过的话，老师思考问题高度始终比我们高，在这个过程中就会发现，有时候他们不经意说出的话，可能就是值得学习的地方。现在我也成为了一名老师，经常与同学们在课内外交谈，如果能够有一些见解对他们有所启发，那我就觉得自己的工作非常有意义了。
问：在回国后，您为什么会选择加入南科大？
郭传飞：其实我早在读本科的时候就明确了自己的目标，未来要出国学习一段时间，然后回国任教。我认为，人一旦目标明确了，就不会被各种犹豫所困扰，然后使劲朝着那个方向努力，效率就会比别的人高很多。后来，我在导师的推荐下知道了南科大，我发现深圳是一座国际化程度很高的城市，而且南科大的办学理念比较新颖，学术氛围自由，非常符合我对一所国际化研究型大学的期待。
郭传飞与学生们
师者，春风化雨
问：在南科大，许多同学从本科大二、大三就开始进入课题组学习，您认为从事科研领域的研究需要具备怎样的特质呢？
郭传飞：科研难不难、复杂不复杂，关键在个人。如果一个人做事都执着追求做好，那定有所作为。做科研很重要的就是心无旁骛、勇于克服困难，这也是我希望我们的学生能够具备的特质。做实验不是为了拿学分，而是要实现自己的科研目标。在南科大通识教育、国际化办学下培养起来的学生视野都比较开阔，大部分本科生已经具备与研究工作相关的实验基础，如果能把自己的基础和特质运用到科研工作上，那肯定能有所成就。最近我们看到不少优秀本科生的事例，他们在PRL、JACS这些顶级期刊上发表论文。如果本科生对科研有兴趣的话，就应该尝试多动手，多花时间去钻研，只有开始做起来才有机会得到新发现。
另外我希望同学们能够注重培养自己的沟通能力。在课题组能够与自己同学和导师互相交流、讨论，在学校里能够与其他课题组的学生、公共平台的技术人员、来访的专家学者交流，在校外能够清楚地向不同专业背景的人表达自己的研究方向和成果，这不仅可以快速地解决矛盾，也能让你的工作有机会得到更多人的支持和帮助。
郭传飞与课题组的同学们
问：您对当代大学生有什么期待和建议吗？
郭传飞：心中要有大梦想，不要贪图一时的“小利”而放弃追逐未来可能出现的“大利”。现阶段我们的同学们也许不能说给国家做出多少贡献，但是要做好自己目前的发展，并且在未来将实现自身价值与国家发展相结合。具体到科研工作中，希望年轻的同学们能够多看文献、多了解前沿动态，通过对自己研究领域的深入学习和理解，找到关键问题，再尝试去解决它。希望同学们能够胸怀大志，不要浅尝辄止，要有坚定的远大的目标，这会影响到你的格局和未来的发展。坚定做自己想做的事，把自己力所能及的对社会能有贡献的事做好，这就是对国家和社会最好的贡献。