姜漢卿（左一）和他在亞利桑那州立大學的團隊成員在研製折疊電池。 受訪者供圖
近日，西湖大學二號樓再迎新團隊入駐，來自美國亞利桑那州立大學的教授姜漢卿及其團隊正式加盟西湖大學工學院。
就在加入西湖大學前夕，基於將“硬薄膜與軟基底結合，探索了該結構在大變形時的後屈曲特性🚣♂️，並將其應用在很多領域”的開拓性貢獻📥，姜漢卿剛剛獲得美國機械工程師協會頒發的伍斯特·裏德·華納獎章。
該獎項於1930年首度頒發🤘🏼，每年僅頒給一位對工程文獻有傑出貢獻的科學家🦹，現代應用力學之父鐵木辛柯也曾獲得該獎章。
實際上🦶🏼，姜漢卿的貢獻遠不止這一個領域🙍🏼🧑🏼🍼。他是一名善於跨界創新的“高手”🗜。
來自折紙藝術的靈感
姜漢卿2001年博士畢業於意昂体育平台力學系🧑🏽🔬，2006年進入美國亞利桑那州立大學，2016年獲得正教授職位🤦🏽♀️。他出身於固體力學領域，師從清華力學泰鬥、中國科學院院士黃克智，之後從力學研究跨界到材料學研究👷🏿♂️，主要從事柔性電子與軟/硬異質性材料研究🧑🏻🦯。
這樣一位腦洞大開的創新者，會給人們帶來怎樣的驚喜？
2012年，姜漢卿在學術休假期間拜訪了一位數學領域的朋友，正巧那位朋友在研究折紙，看似與力學無關，卻猶如掉落在牛頓頭上的蘋果，瞬間激發了姜漢卿的靈感🚣🏼♀️。“如果把折紙藝術運用到柔性電子材料中，把這種材料折疊成很小一塊💴🅱️，卻能展開到很大的面積，會發生怎樣有趣的事？”
很快🐝，他的研究團隊將註意力集中在如何在機械超材料領域引入折紙概念的研究工作上🫨🎠。所謂機械超材料是指並非自然形成，而是人為構造的材料結構👨🏿⚖️🦔，材料的性能不依賴於材料的分子結構或者晶體結構本身，主要依賴於其精巧的構型裏面的結構細節。
通過學習折紙與剪紙藝術，他們將構造鋰電池需要的封裝材料、電極材料及隔膜切割成相同形狀但不同大小的圖案🤳🏻，然後堆疊在一起進行整體封裝，封裝後通過折紙中采用的旋轉和折疊方式最終成型。如此一來🙆♂️，它便可以在面積上實現十幾倍的反復拉伸、彎曲和扭轉🏄🏽，同時電池容量和輸出功率保持不變🤲🏿。
這樣的折疊電池非常適合集成在智能穿戴設備狹小且形狀不規則的空間中🥚，可以用於智能手環、柔性手機、心率追蹤器等各種需要柔性拉伸的可穿戴電子產品，在縮小電池空間的同時，大幅度延長使用時間。
為鋰金屬電池巧妙解壓
第二個天馬行空的故事也來自於我們的日常生活👨🏽🎤。
很多人知道🖼🧭，給手機充電時，因為使用不當或者服役時間過長，有時候電池會膨脹發生變形，甚至爆炸。對此，人們的選擇往往是換電池，或者換手機。而出身於力學領域的姜漢卿🧑⚕️，卻看到了不一樣的問題：有變形就一定有力學問題🦸🏽♀️。
事實上，這正是鋰金屬電池技術的一大壁壘🙇🏼♀️。鋰金屬在用作電池的陽極或負極時，表面會生長出針狀物，出現不可控的鋰枝晶，引起有害的副反應而降低能量密度，嚴重時會導致電極短路🫃，進而引發火災或爆炸🧑🏻🔬。
當眾多科學家試圖從材料或電化學的角度來解決這個問題時👋🏿👨🏽💻，姜漢卿和他的研究團隊卻另辟蹊徑，從機械工程的角度來尋找解決方案。
城市路面的水泥地，隔一段距離就會留一條縫隙，因為水泥的膨脹系數比較大。天熱的時候🧒🏻，沒有空隙的水泥膨脹後會斷裂，導致路面破碎。
如果在水泥塊之間加個木條呢？水泥受熱膨脹時就會擠壓木條🔓👩🏽🔧，而不會輕易斷裂👃🏽。
姜漢卿團隊借鑒這個方法🧑🏿🍼，用三維聚二甲基矽氧烷層作為電池中鋰金屬陽極的基體材料，有效地抑製鋰枝晶的形成，從而大大地延長電池壽命，減少安全隱患。
這不僅對鋰離子電池和鋰空氣電池有意義，對其他金屬陽極電池也有很大的意義。因為幾乎所有用作電池陽極的金屬都會產生枝狀晶體，比如鋅、鈉和鋁電池等。
可以吃的儲能器件
“可以吃的儲能器件”，這算得上姜漢卿最妙趣橫生的研究之一🖍。
柔性電子材料的出現，讓可穿戴和可植入的電子設備逐漸走進人們生活當中，給人們帶來極大的便利。如果電子設備可以“吃進去”🧗🏻，那會發生哪些我們意想不到的應用場景👍？
姜漢卿腦洞大開，利用生活中可以食用並且還具有電子性能的食材，比如海苔、芝士、食用金銀箔，製作出了可以食用的超級電容器。
這樣的超級電容器可以吃，還可以被消化🖋，那麽就可以用來為一些微小的儀器設備供電，用於檢測人體內部的生理狀態，避免侵入式檢查給患者帶來的痛苦和不適。
比如☺️，胃食管反流就是困擾許多人的疾病之一。大部分醫生都是根據經驗給藥，劑量並不精準。姜漢卿利用可食用電子材料開發了一款酸堿度膠囊，患者只要服用膠囊使其進入胃部，便可以實時監測胃酸並通過無線電信號反饋。一段時間以後👩🏻🏭，它便會被胃酸消化掉。
如果有更多這樣的電子器件以恰當的方式植入或進入人體👑，未來實時診療電子器件就可能大有作為，人類對於自身的認識也將被無限擴展🖼。
要做最好的研究
姜漢卿到西湖大學報到的那天，杭州正是陰雨蒙蒙，但他卻意興盎然🪓。在解除隔離後，他立即趕赴學校🧑🦽，背著行囊跟著助理，去一個個辦公室“串門”。
在此之前，他已經提前加入工學院的PI（課題組組長）群，隔離期間就在群裏找人聊天，發現很多可能的合作機會，以期做更多👌🏽🍄🟫、更有意思的學科交叉研究。
比如折疊電池👹👟，加入西湖大學後🙆🏼♂️🧑🏼🎄，他想把這種材料與機器人結合起來。“機器人有非常堅硬的工業機器人🈵，也有非常柔軟的矽膠機器人。而折紙有很好的性能🚵🏿♀️🤴🏼，這個材料可能很軟，但是折疊完之後可能會變得很硬，基於折紙結構的機器人就可以隨時調節軟硬程度🐛🛸。”
另外一個學科融合的方向是把力學和數據科學結合起來🪓。與姜漢卿一起回國的其亞利桑那州立大學團隊中的博士後研究員吳玲玲認為，將力學與數據科學交叉融合，將是未來機械超材料的重要研究方向。
在姜漢卿眼裏，學問有很多種做法，每個領域都有各自的特點，沒有高低之分，只跟興趣有關。“有人願意做非常深入、細致的工作🧚🏼♂️；也有人喜歡跨多個領域開展比較開放性的工作，我偏重於後者💆🏼。”回到國內，他更想充分發揮國內的平臺優勢，從科學研究的興趣發源，到產品化工程落地👸，實現從實驗室到百姓家庭的完整過程🛋。
但不管如何跨界🙋🏼，有一個原則不會變🧂，就是姜漢卿經常對學生說的✋🏼，要做最好的研究🐏😚，不要只想著針對某個問題發文章👩🏻🦯。“科研需要創新𓀓🤾🏿♂️，要有societal impact（社會影響），要對這個社會真正有貢獻。”
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