Light人物 | 光学超材料织物飞入寻常百姓家——专访华中科技大学陶光明教授

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编辑按：仲夏苦夜短，开轩纳微凉。这是1000多年前著名诗人杜甫在《夏夜叹》中对炎炎夏日的描述。四十摄氏度上下的高温让很多人都叫苦不迭，“热死了”不再是大家口中夸张的形容词，炎热的高温不仅能够导致人们“情绪中暑”，还会引发疾病，甚至威胁生命。幸运的是，科学家们发明了一种能够在炎热的夏天进行降温的光学超材料织物。

这种材料的神奇之处在于，虽然它的触感与普通衣物无异，但是它拥有可穿戴面料所有必要的特征，用它制作的衣服可以让人的体温在阳光直射下降低近5摄氏度，是夏季服装的理想选择。

在过去几年里，华中科技大学的陶光明教授率领团队在光学超材料织物领域闯出了一片新天地，发现了这种材料的新应用并使其更加平民化。

下面请跟随“Light人物”探索这种“新”材料的别样风采，看它是如何助力产业发展、服务北京冬奥会和社会的。

陶光明 教授

陶光明，华中科技大学武汉光电国家研究中心和材料科学与工程学院教授、光谷实验室运动与健康智能化技术创新中心主任、医疗装备科学与工程研究院生物医用材料与生命支持装备方向首席科学家。陶教授围绕纤维光电子学开展交叉学科研究工作，先后在《科学》、《自然》等学术期刊发表论文80余篇，拥有已授权发明专利30余项、申请发明专利40余项。陶光明研究团队曾荣获“2021年中国光学十大进展”、“2021中国光学领域十大社会影响力事件(Light10)”，“2021年度中国科学十大进展”候选项目等。他在纤维光电子学上的研究工作受到人民日报、新华社、CCTV-13、CCTV-10、科技部官网、科技日报、美国化学学会、美国物理学会等主流媒体的广泛关注和报道。

采访嘉宾：陶光明（华中科技大学）

采访人：王卉

翻译：于存

原文信息：Wang, H. Light People: Professor Guangming Tao. Light Sci Appl 11, 306(2022)

https://www.nature.com/articles/s41377-022-00995-2

Q：您能简要介绍一下您目前的研究聚焦在哪个方向和最新的科研进展吗？

A：我目前的研究工作聚焦在纤维光电子学的交叉学科，包括无源热管理织物和智能织物空间两个方向。

对于无源热管理织物方向，我们围绕织物光谱的调控作用，设计并研制了一种具有形态分级结构的光学超材料织物，可实现高效的户外无源热管理。此外，为了满足在越野滑雪运动中无源护脸装备的需求，我们开发了一种无源保暖护脸装备，帮助运动员备战2022年北京冬奥会。

对于智能织物空间方向，我们通过在特定的空间中布置多种形态的、高密度分布的无感化纤维传感器来实现对人的运动行为和健康状态的感知。在无感化智能感知床项目中，我们部署了海量柔性传感器，通过边缘计算、数字孪生等技术来实现感传算一体化的健康监测。目前我们的智能感知床已经能够完成对于动作模态、心率、呼吸、体温等基本生理指标的监测，给用户提供及时的健康预警及长期的辅助诊断。在运动感知方面，我们研发了一系列智能运动装备，如：拳击数字手套、智能训练辅助沙袋。基于这些运动传感装备，我们实现了对运动者步态、出拳速度及轨迹、拳力等信息的实时监测。作为湖北省拳击协会的联合发起人和副会长，我认为这项工作对于拳击判罚及日常训练中的状态分析具有重要意义。

图1：陶光明教授（左三）和团队成员在智能纤维拉丝塔实验室工作照

图2：陶光明教授（左2）为张定宇主任（左六）一行参观示范智能床

Q：2021年，您和浙江大学马耀光研究员合作，在《科学》杂志[1]上发表了题为“Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling”的文章。文中介绍了光学超材料织物实现了92.4%的太阳辐射反射率和94.5%的中红外发射率，可为人体皮肤降温近5℃，为汽车模型内部降温近30℃。这项工作突破了哪些瓶颈？您能谈谈超材料织物的发展趋势、应用前景及未来面临的挑战吗？这种超材料织物何时才能产业化“飞入寻常百姓家”呢？

A：我们的光学超材料织物技术是一种通用的户外降温技术[2]，我们通过工业化的方法，开发了一种高效的无源降温光学超材料织物，并将其大规模生产，有望实现降温织物从实验室到工业化生产的跨越。

自从去年我们的文章在《科学》杂志上发表后，我们课题组受到了学术界的广泛关注。世界各地的科学家已经发表了几篇基于我们所研究的光学超材料织物工作的评述文章。值得一提的是，张霜教授在《光：科学与应用》[3]发表的文章中指出：“由于其在辐射冷却性能、透气性和穿着舒适性上的卓越性能，所设计的超材料织物将有广泛的应用前景，包括：服装、帐篷和汽车罩”。我们的工作离不开工业界的支持。目前我们正在推动超材料织物技术与成熟的工业制造业深度结合。此外，我们还实现了基于改性聚酯纤维宏量制备的光学超材料织物，非常希望通过提供一种创新技术来改善产业链。除上述外，我们的超材料织物技术是一种零能耗的、符合可持续发展思路的节能技术，符合国家的战略目标。我们未来的工作将聚焦在如何使超材料织物与制造业更好地融合。

许多家企业与我们进行了沟通，希望能够采用超材料织物技术。这项技术不仅适用于智能服装，还适用于更多的户外产品，如帐篷、建筑、冷链运输等。对于消费者而言，超材料织物能真正实现零能耗降温，同时它几乎与平时所穿的衣物触感一样。我们团队正在持续地努力推动这项工作，希望超材料织物能够尽快应用到我们的日常生活中。

图3：基于改性聚酯纤维宏量制备的无源降温光学超材料织物（最新研发成果）

Q：您和您的团队研发的无源保暖雪上科技护脸面罩在2022年北京冬奥会上很受欢迎。这项技术不仅得到了同行的认可，而且也收到了国家体育总局的感谢信。您如何看待产学研合作？您能谈谈在科研转化过程中您的经历和感受吗？

A：能够参与到“科技冬奥”的项目中，给了我们很多启发。尽管这个项目很小，但让我们意识到科研机构可以和企业更紧密地合作来完成共同的任务，交叉学科也能迸发出新的力量。

在研发过程中，我们没有国内外相关技术可供参照。但在国家体育总局的支持下，我们成功地研制出无源保暖雪上科技护脸面罩。我们与多家制造企业合作，研制了多批不同款式的护脸面罩，提供给国家越野滑雪队使用。国家队专家对我们研发的科技护脸面罩评价很高，同时国家体育总局也给我们团队发来了感谢信，能得到这些认可让我们觉得很值得。

图3：国家体育总局冬季运动管理中心感谢信

Q：您如何看待科研与成果转化两者之间的关系？

A：我认为科研和成果转化之间的关系是相辅相成的。只有成功的研究成果才能进行转化，转化是为了做出更好的科技成果，更好地提升未来产业的核心竞争力。

Q：您先后就读于山东大学、复旦大学，后赴美国中佛罗里达大学攻读博士学位。您为什么没有留在美国，而是选择回国呢？在美国读博的这段经历对您回国后确定研究方向有什么影响？在您看来，中美两国在学生教育和科研方面有哪些异同呢？

A：当时决定回国的原因主要有两点：首先是家庭第一。第二点是我相信我的研究能够与制造业更好地结合起来。作为一名青年科学家，我希望能够为中国的制造业升级做出贡献。我现在的研究方向也是基于我在博士期间的研究。毫无疑问，美国在学生教育和科研方面总体实力领先于世界，中国在这方面也在逐步提升，迎头赶上。

Q：回国后，您作为首席研究员参与了多个科研项目。您是如何指导您的科研小组？在学生培养上，您注重哪些能力？

A：一个科研项目致力于解决现实难题。我的学生具有不同的学科背景，我必须指导他们有效地进行跨学科研究。我经常与我的学生面对面交流，帮助学生们理解他们的科研观点。我们的科学研究要为社会的发展服务，为科学和技术的持续循环做出贡献。

每个人都有自己的个性，但是在人生的每个阶段都需要做该做的事情。我认为学生阶段最重要的是要踏踏实实、勤奋肯干，忠于自己所做的事情。然后，要胸有大志、敢于拼搏，勇于突破自我。我期望他们都能为社会做出自己的贡献。

图4：陶教授领导的纤维光电子研究中心团队部分成员合影

Q：多年来，您一直从事智能纤维和织物领域的研究，您如何评价中国在该领域的发展？您认为在哪些领域需要加强？

A：中国的研究团队在智能纤维和织物领域取得了许多突破性的发现，引领了基础科学快速发展的趋势。然而，新的挑战是如何将基础科学上取得的突破服务于制造业，并最终登上货架，服务于人们的生活。许多实际工程问题在实验室环境中是无法遇到或克服的，这就需要我们走出实验室的舒适区，勇敢地应对行业中遇到的挑战。

Q：您认为多学科融合在科学和技术中有什么意义？您在不同学科切换中遇到了哪些困难与挑战？

A：在我的研究过程中，我逐渐认识到，当面对实际工程问题时，单一学科是有界限的。解决这些问题和挑战最有效方法是通过多学科融合和科研合作。因此，我们建立了湖北光谷实验室运动与健康智能化技术创新中心，该中心集合了光学工程、材料科学、计算机科学、生物医学工程、机械工程、纺织工程等多个学科的研究人员，推动跨学科研究。

有着不同学科背景的研究者观念之间的障碍是很难被打破的。最初同学们是不太能理解多学科之间的合作关系，但是我们始终坚持帮助学生们去理解多学科交叉融合思想，去指导学生进行深度合作，形成系统化的科研思维。

Q：在您的科研道路上，印象最深的困难或者挑战是什么？您是如何应对并克服的？

A：在科研中经常会遇到困难和挑战。我觉得最具挑战性的时刻是我回国初期，那时科研平台还不完备，经常会出现许多意想不到的问题。应对这些挑战的关键是要抱有为社会服务的决心。我们应该发挥自身的科研优势，保持耐心和乐观的心态，克服短板，解决阻碍社会发展的关键问题。同时，作为科研工作者，需要不停地思考学术前沿问题并努力寻求解决之道。

Q：有哪些人对您的职业生涯有着非常重要的影响呢？以何种方式？

A：对我来说，对我影响最大的是美国哈佛大学教育研究生院认知和教育学教授霍华德·加德纳(Howard Gardner），他提出的多元智能理论将智能定义为“解决某一问题或创造某种产品的能力，而这一问题或这种产品在某一特定文化或特定环境中是被认为有价值的”。这也是我一直以来的科研理念。我们的科研工作，最终都要落实到为社会解决一个实际问题，或者为特定人群创造一类有价值的产品。

Q：工作之余您有什么爱好？您是如何平衡事业和家庭的？

A：在业余时间，我喜欢探索并学习交叉领域的一些新事物。尽量用更多的时间陪伴家人看电视、吃美食、旅游等。家人的陪伴会让我得到精神上的安慰，孩子也正在成长阶段，我不想错过孩子的每一个成长瞬间。科研工作的性质决定了我无法去花费大量的时间陪伴家人，但是我会尽最大的努力在有限的空余时间全身心地陪伴他们。

Q：您能从自身经历出发，谈一谈如何才能成为一名优秀的科研工作者吗？您觉得必备的素质有哪些？

A：作为一名年轻的科研工作者，我可以和同学们分享一点心得：我们要享受科学研究的过程，这是成为一名优秀科研工作者的关键。同时要选择正确的科研方向，抓住关键问题，保持耐心，勤奋坚持，成功就是时间问题。

在我看来，研究者必须有坚定的信念，负责任的态度和优秀的团队合作能力。这些品质有助于在研究过程中保持专注、活力和创新思维。

Q：您对年轻工作者在事业和生活上有什么建议？

A：作为一名年轻的科学家，我可以与同学们分享一下自己在科研中获得的一点经验教训。首先是耐得住寂寞，自律会帮助我们实现目标。其次是勇于面对学术挑战，追寻高难度的目标。最后是保持信念，坚持不懈。