我的老師有絕活丨在燈絲上“跳舞” 他要讓昆蟲機器人從科幻“爬”進現(xiàn)實
更新時間：2024/9/9 11:24:41 來源：大河網(wǎng)
時政要聞
大河網(wǎng)訊（記者 劉高雅）憑借一臺微束“電子槍”,，讓電子在燈絲上“跳舞”,，鄭州航空工業(yè)管理學院材料學院教授曾凡光在“挑戰(zhàn)杯”全國大學生競賽中,，指導學生摘得一等獎桂冠,，目前這一技術與配套裝備在全球范圍也屬空白。
年輕時學習物理專業(yè),，卻帶著學生在材料學賽道上蹚出一條新路子,。即將邁入花甲之年的曾凡光還有一個心愿，“把團隊帶出來,，讓微束電子槍實現(xiàn)工業(yè)化應用,， 早日實現(xiàn)材料—器件—裝備全鏈條創(chuàng)新�,！�
這把槍究竟有啥大用途,？
曾凡光口中的電子槍，并非一把“真槍”,，而是以電子為“子彈”的電子發(fā)射槍,。燈絲就是這把槍的“槍管”，電子從這里出發(fā),，便會隨電場和磁場的操控而“翩翩起舞”,。那么，這把槍具體用在哪里,？
“你知道昆蟲尺度級別的微型機器人嗎,？它是由很多介觀尺度（10^-4～10^-6m）復雜金屬微零件組成的，‘微零件’是不是聽起來就很小,，特別不容易制造,？”曾凡光笑著問道。
據(jù)他透露,，目前,，我國在高端真空電子設備，如掃描電子顯微鏡,、透射電子顯微鏡等燈絲材料和燈絲器件方面嚴重依賴進口,，存在潛在的卡脖子風險。
怎樣才能制造出厘米級或陸地昆蟲級別的機器人,，在諸如非結構性或狹窄空間中進行檢查,、探測及災后搜救？曾凡光說,，精密金屬微結構或微零件，是先決條件之一,，特別是介于宏觀尺度和微觀尺度之間的介觀尺度（亞微米—亞毫米）微小金屬零件,。
通過多年研究，曾凡光發(fā)現(xiàn),，在現(xiàn)有的制造技術中,，最有希望解決這一難題的技術,，是采用高能量密度電子微束，對金屬微粉進行圖形化熔融的電子微束3D打印技術,，以微零件的結構切片圖形數(shù)據(jù)為基礎,，以高能量密度的電子微束對金屬微粉進行逐層圖形化熔融，最終實現(xiàn)金屬復雜微零件的增材微制造,。
“基于上述考慮,，經(jīng)過反復論證，我們團隊老師帶著學生在燈絲材料上尋求突破,，再以關鍵材料創(chuàng)新促進核心器件創(chuàng)新,。”曾凡光欣喜地說,，微束電子槍就這樣應運而生,。
得獎后他看到學生眼含淚花
在第十八屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽中，曾凡光和團隊指導學生獲得一等獎的作品正是《面向復雜金屬微零件增材微制造應用的微束電子槍》,。
大賽期間,，有兩件事讓曾凡光記憶深刻。
現(xiàn)有的電子槍燈絲主要采用六硼化鑭和鎢絲,，但由于發(fā)射面尺度較大,，無法實現(xiàn)小的電子束斑。團隊成員們設想,，如果改用實驗室自制備的準宏觀碳纖維,，這一材料具備準宏觀尺度和完美曲率半徑的半球狀發(fā)射面，恰好符合增材微制造的要求,。
曾凡光精于科研,，特別是電子源材料與器件及其應用領域的研究工作。他深知科研過程的艱難與取得成績的不易,，將多年經(jīng)驗對學生們傾囊相授,。
在曾凡光的耐心指導下，通過一輪又一輪的實驗,，參賽團隊最終利用物理空間限域效應和控制變量法,，制備出了形態(tài)完美的準宏觀碳纖維。
暑假里的鄭州,，氣溫高達40℃,，熱浪襲人，團隊成員卻在實驗室里做著1000℃的燈絲生長實驗,。最終,，他們實現(xiàn)了準宏觀碳纖維燈絲材料的可控制備，進而完成了微束電子槍的研制與測試。
曾凡光說,，在做微束電子槍的時候,，學生們還需要先把燈絲材料變成燈絲器件，要把比頭發(fā)絲還要細得多的材料穿進外徑只有0.3毫米的銅管中,，再把銅管壓接到剛好與燈絲材料形成可靠電連接的程度,。
“由于這是一個全新的器件，市面上沒有專用工具可用,，需要手動操作,，只能借助顯微鏡和放大鏡來輔助操作，學生們的畏難情緒可想而知,�,！碧峒斑@段經(jīng)歷，曾凡光滿是心疼,。
在曾凡光和其他團隊老師們的鼓勵,、示范下，同學們練就了一手操縱微小物體的嫻熟技巧,�,！艾F(xiàn)在，大部分學生都能獨立完成燈絲器件的制作,。這極大培養(yǎng)了他們精益求精的工匠精神,、迎難而上的頑強意志，這是講多少節(jié)課都換不來的進步,�,！痹补飧锌馈�
從院賽到國賽,，從鄭航到?jīng)Q賽現(xiàn)場,。比賽完成后，曾凡光正帶著參賽學生在貴陽附近研學時,，傳來了參賽作品獲得一等獎的消息,，“聽到學生們的尖叫，看到他們眼含淚光的歡呼雀躍,，那一刻,，我知道他們已悄然發(fā)生了蛻變�,！�
讓這臺“槍”實現(xiàn)工業(yè)化應用
談及項目的研發(fā)價值,，曾凡光說，“基于微束電子槍,，有望開發(fā)出電子束增材微制造系統(tǒng),，從而實現(xiàn)復雜金屬微零件的增材微制造”。
對于微束電子槍未來的發(fā)展，曾凡光也有清晰的展望,，他說：“接下來，我們將重點推進微束電子槍的應用研究,，推動微束電子槍由實驗室產(chǎn)品向工業(yè)化應用的轉(zhuǎn)化,，優(yōu)化升級產(chǎn)品質(zhì)量和性能�,！�
同時,，他還希望，以微束電子槍為基礎,，開發(fā)專用電子光學系統(tǒng)和專用電源系統(tǒng),，盡早完成金屬零件微納加工裝備所需的核心部件的開發(fā)，力爭早日實現(xiàn)材料—器件—裝備的躍升,。
培養(yǎng)學生依然是重中之重,，曾凡光想讓更多學生融入研發(fā)平臺�,！巴ㄟ^精心培養(yǎng),，一定會有更多學生成為既掌握材料學知識，又具備真空電子技術應用能力的復合型創(chuàng)新人才,，成為我國相關行業(yè)的先進材料和高端裝備領域不可多得的專業(yè)技術人才,。”曾凡光滿懷信心地說,。
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年輕時學習物理專業(yè)，卻帶著學生在材料學賽道上蹚出一條新路子,。即將邁入花甲之年的曾凡光還有一個心愿,，“把團隊帶出來，讓微束電子槍實現(xiàn)工業(yè)化應用,， 早日實現(xiàn)材料—器件—裝備全鏈條創(chuàng)新�,！�
這把槍究竟有啥大用途,？
曾凡光口中的電子槍，并非一把“真槍”,，而是以電子為“子彈”的電子發(fā)射槍,。燈絲就是這把槍的“槍管”，電子從這里出發(fā),，便會隨電場和磁場的操控而“翩翩起舞”,。那么，這把槍具體用在哪里,？
“你知道昆蟲尺度級別的微型機器人嗎,？它是由很多介觀尺度（10^-4～10^-6m）復雜金屬微零件組成的，‘微零件’是不是聽起來就很小,，特別不容易制造,？”曾凡光笑著問道。
據(jù)他透露,，目前,，我國在高端真空電子設備，如掃描電子顯微鏡,、透射電子顯微鏡等燈絲材料和燈絲器件方面嚴重依賴進口,，存在潛在的卡脖子風險。
怎樣才能制造出厘米級或陸地昆蟲級別的機器人,，在諸如非結構性或狹窄空間中進行檢查,、探測及災后搜救？曾凡光說,，精密金屬微結構或微零件,，是先決條件之一，特別是介于宏觀尺度和微觀尺度之間的介觀尺度（亞微米—亞毫米）微小金屬零件,。
通過多年研究,，曾凡光發(fā)現(xiàn),，在現(xiàn)有的制造技術中，最有希望解決這一難題的技術,，是采用高能量密度電子微束,，對金屬微粉進行圖形化熔融的電子微束3D打印技術，以微零件的結構切片圖形數(shù)據(jù)為基礎,，以高能量密度的電子微束對金屬微粉進行逐層圖形化熔融,，最終實現(xiàn)金屬復雜微零件的增材微制造。
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大賽期間,，有兩件事讓曾凡光記憶深刻,。
現(xiàn)有的電子槍燈絲主要采用六硼化鑭和鎢絲，但由于發(fā)射面尺度較大,，無法實現(xiàn)小的電子束斑,。團隊成員們設想，如果改用實驗室自制備的準宏觀碳纖維,，這一材料具備準宏觀尺度和完美曲率半徑的半球狀發(fā)射面,，恰好符合增材微制造的要求。
曾凡光精于科研,，特別是電子源材料與器件及其應用領域的研究工作,。他深知科研過程的艱難與取得成績的不易，將多年經(jīng)驗對學生們傾囊相授,。
在曾凡光的耐心指導下,，通過一輪又一輪的實驗，參賽團隊最終利用物理空間限域效應和控制變量法,，制備出了形態(tài)完美的準宏觀碳纖維,。
暑假里的鄭州，氣溫高達40℃,，熱浪襲人,，團隊成員卻在實驗室里做著1000℃的燈絲生長實驗。最終,，他們實現(xiàn)了準宏觀碳纖維燈絲材料的可控制備,，進而完成了微束電子槍的研制與測試,。
曾凡光說，在做微束電子槍的時候,，學生們還需要先把燈絲材料變成燈絲器件,，要把比頭發(fā)絲還要細得多的材料穿進外徑只有0.3毫米的銅管中，再把銅管壓接到剛好與燈絲材料形成可靠電連接的程度,。
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對于微束電子槍未來的發(fā)展，曾凡光也有清晰的展望,，他說：“接下來,，我們將重點推進微束電子槍的應用研究，推動微束電子槍由實驗室產(chǎn)品向工業(yè)化應用的轉(zhuǎn)化,，優(yōu)化升級產(chǎn)品質(zhì)量和性能,。”
同時,，他還希望,，以微束電子槍為基礎，開發(fā)專用電子光學系統(tǒng)和專用電源系統(tǒng),，盡早完成金屬零件微納加工裝備所需的核心部件的開發(fā),，力爭早日實現(xiàn)材料—器件—裝備的躍升。
培養(yǎng)學生依然是重中之重,，曾凡光想讓更多學生融入研發(fā)平臺,。“通過精心培養(yǎng),，一定會有更多學生成為既掌握材料學知識,，又具備真空電子技術應用能力的復合型創(chuàng)新人才，成為我國相關行業(yè)的先進材料和高端裝備領域不可多得的專業(yè)技術人才,�,！痹补鉂M懷信心地說。
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