宋思扬

纳米级精度

当站在距墙壁三五米左右的位置，想要手持激光笔瞄准落在墙上的一只小飞虫时，大家会发现，虽然距离并不远，但只凭借人手的控制，要让光点精准地落在小飞虫身上，是几乎不可能的。那如果再要求光点随着小飞虫的快速移动而移动呢？

读博期间，我和团队一起研发了一个水杯大小的器件——高性能压电驱动器。所谓驱动器就是一个能按要求驱动物体产生运动的器件，我们日常生活的方方面面都离不开驱动器，大到工业机器人，小到智能家居中自动升降的窗帘等。

我们研发的驱动器有点儿特殊。传统的驱动器大都是电磁驱动产品，精度最高可达到一根头发丝的百分之一。我们则采用压电材料研制驱动器，压电材料可以因机械变形产生电场，反之，也可以因电场作用产生机械变形，我们正是利用了逆压电效应，也就是“因电场作用产生机械变形”的过程，将电能转变为机械能或机械运动，从而控制物体实现精准而微小的位移。压电驱动器的精度直接跨进了几个纳米的量级，也就是一根头发丝直径的万分之一。压电驱动器不仅可以轻松地做到文章开头提到的小实验中的要求，而且它在两个固定点间来回精准跳跃的速度可以达到每秒钟上千次。实验演示中，人的肉眼看到的只是一条闪亮的光带，根本无法识别和捕捉到它跳跃的动作。

不仅如此，它还是名副其实的“小身材、大能量”。它只有一个水杯大小，一只手就可以完全握住，但它却能四两拨“千”斤，有着可以把一个成年人抬起来的驱动力。

“捕捉”上千公里外飞速运动的卫星

研发这个压电驱动器的基础工作是在5年前我上大三时开始的。那时，借助学校科研训练的机会，我接触到了导师，逐步走近了压电驱动器的研究方向。当时实验室良好的平台与科研氛围吸引了我，看着师兄师姐们用巧妙的结构创新，利用压电材料实现不同运动控制的功能任务，我也在脑海中形成了一些想法。在老师的指引下，我很快将这些想法推进成可以进行实验的器件模型，做了第一次科研创新尝试，也在本科阶段申请了两项中国发明专利。

读硕士二年级时，研究中遇到的新问题再次引发了我的思考，于是我决定转博，将这些问题进一步探究。现在，博士研究接近尾声的我，正努力把相关的研究成果做成卫星上应用的可靠产品。

再回到开头的小实验，试想，手持激光笔的我们，不再局限在三五平米的空间里，而是置身浩瀚的宇宙中，想要指向上千公里外，一颗飞行速度超过每秒10千米的卫星，那又有多难？

这并不是一个单纯的想象，而是现实需要。我们国家正在大力发展天际互联网与物联网，需要光束搭载着信息去完成传递，就像我们在地面使用光缆一样，要在卫星之间，用光束编织成一张连接上百颗卫星的网络。

2018年，我们终于有机会在实验卫星上使用我们的驱动器，帮助这颗卫星在运动过程中给远方的星星拍摄一张清晰的照片。虽然听起来，拍张照片没什么了不起，但实际上，它的拍摄过程就好像我们坐在飞驰的汽车上，拿着相机去拍摄月亮一样。这需要在晚上，拿着相机，一动不动，精准地指向我们想要拍摄的目标，并进行较长时间的曝光。要知道，我们平时拍摄一张照片，按下快门那一刻，曝光只不过是“咔嚓”一声的瞬间，而拍摄一张数十、数百光年外宇宙星系的照片，可能需要至少连续几分钟的曝光，这就需要做到又稳又准的运动控制。恰好，我们所研发的压电驱动器“特长”正在于此——可以在高速运动中，稳、准、快地定位。我们为卫星所研发驱动器，相当于为重量、体积控制严格的卫星，搭配了“吃得少，干活多”的小伙计，可以让它去完成之前无法实现的高精度操控了。

更多应用，更高品质，更低成本

实际上，能施展压电驱动器特长的场所不只是在天上。未来，这种高精度的控制技术也许还可以运用在先进制造中，提升机器的运动控制精度。比如，使原本可以在鸡蛋壳上面刻字的能力，提升到可以在头发丝上面刻字。若是应用在临床医学领域，比如神经外科的手术中，可以为给纤细的神经进行手术操作的器械提供更高的精度保障。比如用在扫描电镜等仪器设备中，帮助我们更加清晰地洞察微观世界。比如应用在先进的光学望远镜中，帮助我们从地面上穿过大气层，清晰地观察浩瀚星空。

压电驱动器并不是我们的独创，国外也有不少机构和学者在做相关方面的科研。大家在压电驱动器这条赛道上不断尝试突破，以寻求更快的速度、更高的精度、更好的性能，放眼最终的应用。

研发高性能压電驱动器的过程并非一帆风顺。从目标功能、结构构思开始，我就和导师徐明龙教授一次次地商讨。我们凝练出我们研究的目标有哪些，要实现的超越性指标是什么。在保障了速度与精度的基础上，我们还希望所研发的驱动器具有更好的推重比，也就是要在比国外竞品更轻的重量内，去实现更大的推动力。

从结构设计开始，我逐步从器件结构的模型建立方法入手，首先解决了驱动过程中结构耦合变形带来的不利影响，完成了试验前的相关仿真研究。紧接着进入到试验验证的阶段，当时恰逢那年西安最冷的那段时间，我们连续几周每天都试验调试到一两点。

工夫不负有心人，我们研发的高性能压电驱动器，在推重比的核心指标上，甚至可以达到国外商业产品的两倍以上。现在我们的研究成果已经批量地走出实验室。

责任编辑：马春梅