最近，西湖大學有名博士生做了一把“超級彈簧秤”，能測出40皮牛的重量。
40皮牛是什么概念？
1千克對應(yīng)9.8牛頓，1牛頓的百萬分之一為1微牛，1微牛的百萬分之一為1皮牛。
給一個更直觀的對比：一厘米頭發(fā)絲的質(zhì)量為0.1毫克，約重1微牛。40皮牛，僅為發(fā)絲重量的萬分之一，是紅細胞重量的1/10。
把“彈簧”
縮小、縮小、再縮小
這名同學叫尚興港，是西湖大學工學院仇旻實驗室與周南嘉實驗室聯(lián)合培養(yǎng)的2019級博士生。
想要了解他做的彈簧秤，我們先來看看彈簧秤的構(gòu)造，有彈簧、指針、刻度盤，外加一個砝碼，用來校準精度。
其中，彈簧是核心部件。通過改變彈簧那根螺旋線的半徑、粗細，彈簧的力學性能會隨之發(fā)生變化，可以滿足不同場景中對測量范圍的不同需求。
聽起來很簡單，做起來難。你能想象秤鉤去勾住一根頭發(fā)絲嗎？怎樣的彈簧才會被頭發(fā)絲的重量拉伸、變形？
所有的尺度都要縮小、再縮小，直至肉眼看不見。
但這對尚興港來說，這并不難。他所在的仇旻實驗室，另一個名稱叫“納米光子學與儀器技術(shù)實驗室”，主要研究方向為“微納光子學”，顧名思義，就是在“微米、納米”尺度上做研究。所以，頭發(fā)絲對他們來說不算“小”。這個實驗室曾經(jīng)在僅有頭發(fā)絲八分之一粗細的光纖末端完成“冰雕”。
彈簧的材質(zhì)是樹脂，一種比較常用的微納3D打印材料。而3D打印，又恰是周南嘉實驗室的所長。尚興港的核心任務(wù)，就是要設(shè)計一個微納尺度的彈簧。
想起來容易，做起來難。
“越細微的結(jié)構(gòu)，越難保持穩(wěn)定。這就像女孩穿的高跟鞋，鞋跟太細，就會比平底鞋更容易壞，且鞋跟越細，壞的可能性越大。為了讓微觀尺度的彈簧秤靈敏度提高，我們需要把螺旋線做的盡可能細一些。但‘代價’就是，細小結(jié)構(gòu)在受到外力干擾時，更容易變形失效。” 尚興港說。
他和團隊一起探索，決定用3D打印的方法制備彈簧結(jié)構(gòu)。
一切都在顯微鏡下完成。超凈間里不能喝水、不能帶食物、也沒有廁所，每一次進出都需要像新冠時期的醫(yī)護人員一樣，把自己從頭到腳包裹得嚴嚴實實。
尚興港以極大的耐心堅持了整整一年半，在導師們的協(xié)助下，不斷優(yōu)化加工工藝，終于做出了微納尺度最靈敏的彈簧，“比已報道的結(jié)果高出了四個數(shù)量級！”
宏觀彈簧秤VS微觀“超級彈簧秤”
用光纖當“指針”
測到了超精細的40皮牛
做出了3D微納彈簧，下一個問題來了：如何精確獲取到彈簧受力后的微小變化？又怎么讀??？
為了尋找答案，尚興港和導師們的視線又回到菜市場的彈簧秤。稱菜時，彈簧被拉伸，指針指向刻度盤，就可以讀出買了幾斤幾兩的菜?！?/p>
彈簧光纖微力傳感器原理
仇旻提議用光纖嘗試。尚興港把彈簧“安裝”制備在光纖端面，這個端面只有頭發(fā)絲八分之一粗細。
這個裝置自然形成了干涉微腔的現(xiàn)象，指的是特定“顏色”的光，在歷經(jīng)干涉相長或干涉相消，會產(chǎn)生“峰谷”型的光譜。比如生活中肥皂泡所產(chǎn)生的漂亮顏色，就是源于“干涉”這一物理現(xiàn)象。
當與光纖“連接”的彈簧發(fā)生變化——可以想象為彈簧被拉扯了一下，那么原有的光譜就會隨之產(chǎn)生飄移。實驗上，通過分析光譜的漂移量，就能得到受力的大小。
于是，指針和刻度盤，也有了。
最后一步的難題是，怎么知道這把“秤”是精準的？生活中的彈簧秤可以使用標準砝碼來校準，去哪里找比頭發(fā)絲還小的砝碼？
一陣頭腦風暴之后，尚興港他們選擇使用微米大小的二氧化硅小球，作為砝碼。
測試中，他們將不同粒徑、不同重量的小球交給這把“彈簧秤”來稱，由此得到彈簧的力曲線。經(jīng)過分析，進一步獲得該器件的靈敏度和探測極限。配合高精度光譜儀，結(jié)果顯示，這件彈簧基光纖傳感器的靈敏度和探測極限，分別為0.436 nm/nN和40.0 pN。
我們已經(jīng)知道了，40皮牛，是發(fā)絲重量的萬分之一，也是紅細胞重量的1/10。
“超級彈簧秤”，終于組裝完成。但尚興港又多加了一顆“砝碼”。
他求教于工學院范迪夏實驗室，范迪夏是流體力學專家，2022年全職加入西湖，建立了“流體智能與信息化實驗室”。尚興港想把“秤”應(yīng)用于微米尺度的微小氣流力檢測——探測非線性氣流壓力，你可以想象為“捕捉”微觀尺度上的“風”。
得益于皮牛級的精度，他們在實驗中探測到了氣流的變化。
測陽光灑在身上的微弱壓力
測一個細胞的重量
“彈簧秤”未來能有很多探索
為什么要花這么長的時間，研究這把“彈簧秤”。
科學研究的終極目的是認識世界，進而改變世界。有趣的實驗，不僅僅止步于“有趣”。
在微觀世界這個“菜市場”里，有大量的“黃瓜、西紅柿、土豆”，等待著這把“超彈簧秤”大顯身手。
比如“光壓”。當暖洋洋的陽光灑在我們身上時，有極微弱壓力的作用；當彗星劃過天空，會產(chǎn)生“長尾巴”……這些現(xiàn)象都與光的微弱力相關(guān)。
再比如，洗手池排水槽里回旋滾動的水流，超音速飛機的音爆轟鳴聲等現(xiàn)象，都是生活中司空見慣的“湍流”現(xiàn)象，它們也是微弱力作用下的景象。
此前，大多常見的力學傳感器只能做到亞微牛到納牛級精度，無法對細微的物理過程進行精確探測。而獲取數(shù)據(jù)精度的不足，會掩蓋非線性物理過程的細微之處，導致對微觀現(xiàn)象的錯誤解讀。因此，傳感器精度的提升，有望極大提升這一類器件的可靠性，并拓展它們的應(yīng)用范圍。
同時，得益于光纖的柔性，這個系統(tǒng)可以為原位血壓檢測、呼吸監(jiān)控等多種重要醫(yī)療應(yīng)用場景提供新思路。
再“大膽”一點，試試給細胞稱個重如何？細胞的重量與人體的健康息息相關(guān)，卻一直卻缺乏適宜的科學測量手段。
有了這件能在微觀空間上大展拳腳的力學“新武器”，尚興港暢想道，“說不定哪天科學家真的能把細胞干重準確測出來。今后，希望能用這件傳感器去測量多樣的物理化學過程，特別是物理過程，從分子作用到天體運動，相信一定會‘稱’出意外的驚喜，打開一個我們從未知曉的世界。”
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