作者仅3人！山西小伙“打破常规”收获一篇Science

文 | 《中国科学报》见习记者 王兆昱

这是山西小伙高天的“巴黎读博记”：2019年春，28岁的他只身来到法国巴黎，第一眼就爱上了这座城市。他进入著名的巴黎高等物理化工学院（ESPCI-Paris）PMMH实验室，遇上了两位不摆架子的“朋友型”导师。

今年8月，高天以第一作者身份在Science上发表论文。据高天回顾，从idea的产生到论文的发表，仅用不到两年时间。

Science论文《可实现绝对高斯变形的气动细胞》

高天告诉《中国科学报》，他很喜欢在巴黎读博的日子。或许是因为这座城市有与他相似的特质：松弛、自由、浪漫、包容。他酷爱篮球，经常和一帮朋友约球；他喜爱艺术，科研之余和导师一起操办艺术展，花费了大量精力。

至于论文为何能在Science上发表，高天的回答是：“对于这个问题，我给不出答案，我只是在做自己感兴趣的研究罢了。”

高天

受玉米叶启发，打破常规

这篇于8月24日发表在Science上的论文，介绍了一种“打破常规”的新设计：受到玉米等单子叶植物泡状细胞的启发，高天和他的导师们设计出气动高斯细胞，可将平面转化为具有不同高斯曲率的形状。

要了解该设计是如何“打破常规”的，就要首先了解“常规”。

正如数学家高斯在他的开创性定理中所指出的那样，同时向两个方向弯曲一块平板，需要改变平面内的距离。通常情况下，将一块平板变为曲面物体，会导致出现褶皱或切割；反之，若将曲面材料转化为一个平面，亦是如此。除非高斯曲率守恒，例如将一张纸转变为圆柱体或圆锥体。

“你可以想象，拿一张A4纸去覆盖一个球体，无论怎样都会产生褶皱。或者想象，将地球展开为一张平面地图，各大陆的形状会不可避免地被扭曲。”高天向记者形象地解释着。

几何原理上的局限，导致了物理科学的局限。目前，大部分传统的柔性机器人原理是让一块平板在一个方向上发生弯曲，但无法实现更复杂的形状。这就限制了柔性机器人的某些功能，比如运输流体。

“同时控制弯曲和面内变形仍然是领域内的重要挑战。”高天告诉《中国科学报》，近年来，在同行的探索之下，新出现了可编程化平面内扭曲的结构材料，能实现高斯曲率的改变，但还需要对局部弯曲进行额外控制，才能精确设置最终形状。

面对这个复杂的几何问题，从小在中国山西长大的高天，从童年记忆中的玉米地里找到了答案。

高天想起的，是玉米地中的一个常见现象：在天气干燥炎热时，玉米的叶子会向内卷曲，让叶面尽可能少地暴露在阳光下，从而减少水分流失；而在环境湿度大时，玉米的叶子又因含水量增加而舒展开来。

这是由于玉米叶中泡状细胞（bulliform cell）的作用，这些细胞就像充气气球，可以根据含水量的多少进行膨胀和收缩，从而使叶片向平面内展开或收缩。除了玉米，其他单子叶植物也有同样的功能。

带着从玉米叶中汲取的灵感，高天设计出仿生的气动高斯细胞，来组成平板的内部结构。充气后，该结构会自动变形成目标壳体形状。

更重要的是，该结构可快速驱动且具有可控刚度，并且使用成本较低的消费级材料制造。这为新一代柔性机器人的设计开辟了道路。

朋友型导师，“他们不在意投什么期刊”

除了高天，这篇论文还有两位作者：José Bico和Beno?t Roman，他们就是高天在法国的两位博士生导师。

José Bico是论文的第二作者，他目前任ESPCI大学的流体力学教授，曾是麻省理工学院非牛顿流体实验室的博士后及访问学者。

José Bico

Beno?t Roman则是论文的通讯作者，除了在PMMH实验室工作，他还是法国国家科学研究中心（CNRS）的高级研究员。