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从“猪笼草”走出来的 Nature 论文
——记《Nature》论文第一作者张鹏飞
一、个人介绍
张鹏飞,河南周口人,于 2008年考入北航机械工程及自动化学院
本科,2012年保送北航机械学院学术硕士,2013年转为硕博连读攻读
博士学位,专业方向为仿生界面的设计与制造研究。导师是张德远教
授和陈华伟教授。在读期间是国家自然科学基金重大项目的主要参与
者。
二、成果简介
凭借持之以恒的努力和脚踏实地的科研,到目前为止,已经发表
学术论文 19 篇,其中第一作者(或第一学生作者)13 篇,包含 SCI
论文 9 篇(第一作者 7 篇),8 篇处在 JCR 分区 Q1 区,7 篇为中科院
TOP 期刊,影响因子之和达到 78(第一作者为 63)。其中,以共同第
一作者(第一学生作者,另一名共同一作为导师)在国际顶级期刊
《Nature》上发表论文 1篇,该论文是中国机械工程学科在《Nature》
上发表的首篇文章,也是北航第一名在读学生在《Nature》杂志发表
论文。所发表的 3 篇论文还被期刊选为了封面文章,包括被邀请在国
家自然科学基金委主办的《中国科学基金》上发表的封面论文。所发
表的第一篇 EI 论文是以本科毕设的内容完成的,发表的第一篇 SCI
论文即被期刊选为了封面文章。此外,还申请公开发明专利 4 项,其
中 2项已授权。
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三、研究概述
在读期间,瞄准国家重大战略需求,依托于国家自然科学基金重
大项目“精准微创手术器械创成与制造基础”,以其子课题“仿生界
面的设计与制造基础研究”为内容,师法自然,本着“有所发现、有
所发明、有所创造”的研究思路,揭示猪笼草体表超湿滑机理、研究
仿生超湿滑表面的设计与制造基础问题、并最终解决载能微创器械的
粘着问题。
微创器械因其创伤小、痛苦轻、愈合快而成为未来医疗器械发展
的趋势,微创医疗器械也逐渐成为医疗器械的技术制高点。我国微创
外科手术量已跃居世界第一,微创手术器械创新发展被列入了“十一
五”、“十二五”发展规划的重点扶持方向,但与发达国家相比微创
器械整体水平差距显著,尤其高档微创医疗器械仍以进口为主。在微
创器械进行手术时,实质是制造损伤而后愈合的过程。现阶段,在使
用载能微创高频电刀、超声刀进行手术切割时,刀头经常会出现大量
的软组织的粘连,由此引起的组织创伤、撕裂出血等及其引发的并发
症、后遗症占到手术事故的 80%以上。因而,解决微创器械的软组织
粘着问题是非常迫切的实际需求。
大自然经过亿万年的进化,发展出很多优异功能,为人类解决实
际问题提供了便捷而有效的“方法库”。猪笼草是一种食肉植物,其
可以依靠超湿滑的口缘捕食昆虫。2011年哈佛大学的 Aizenberg等人
在《Nature》报道了以此仿生设计的超湿滑表面。但是,猪笼草口缘
表面的超湿滑形成机制却并未被揭示。在重大项目的牵引带动下,从
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本科毕设开始,张鹏飞就着重开展猪笼草超湿滑的形成机制及其仿生
研究,与猪笼草结下了不解之缘。通过仔细分析猪笼草口缘表面的微
观结构、探究宏/微观液体在口缘表面的液体流动特点,他首次发现了
猪笼草口缘表面的液体单方向搬运现象,这是一种反常理的“水往高
处流”的液体微流动现象。通过与中科院理化所江雷院士等研究人员
的合作,揭示了蕴藏在其中的科学机理,取得了重大学术研究成果,
并将研究成果发表在了世界顶级期刊《Nature》上。该论文是中国机
械工程学科在该期刊发表的首篇成果,张鹏飞也成为北航历史上第一
个在《Nature》发表论文的在读学生。成果发表后被工信部、国家自
然科学基金委、北航、人民日报、新华社、光明日报和中国科学报等
数十家单位和媒体报道,引起的广泛的关注。
学术科研上,张鹏飞一直坚信天道酬勤,长时间的实验虽然枯燥
辛苦,但他却乐在其中。在此前发现自然的基础上,他发展了单方向
液体输送新方法、设计了具有液体单方向搬运特征的新结构,开创液
体二维表面搬运新领域。通过生物复制成形、3D打印、光刻等加工方
法,制备了仿生口缘表面。这种人工制备的表面具有生物口缘表面一
致或相似的结构特征,通过控制表面的浸润性可实现液体的单方向搬
运。同时,研究了表面结构与单方向液体搬运的匹配关系,通过在制
备的人工口缘表面添加温敏分子层,制备了温度可控的智能口缘表面,
最终实现了超越自然的神奇功能。这些系列研究发表在国际著名期刊
ACS Applied Materials & Interfaces,Small等期刊上。
科研不仅要顶天,还要立地。因而,在进行猪笼草口缘机理揭示
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与仿生功能制备的同时,深入开展以猪笼草超湿滑表面为手段来解决
载能微创器械表表面粘着问题的研究。他首先探索出了一条增强型水
辅助法制备具有规则微米尺度多孔薄膜的手段,并首次制备了具有多
级特征的多孔薄膜,在此基础上制备出大面积超湿滑膜,这种薄膜具
有良好的自清洁和透明性。通过以微创器械普遍使用的不锈钢为基底,
其首次制备了具有优异耐高温特性的超湿滑表面,这种超湿滑表面可
以大幅度的降低软组织的粘着。创造性的将这种超湿滑表面制备在高
频电刀上,实际的软组织切割证明该表面具有创伤小、粘着低的优异
表现,这些研究为载能微创手术器械的粘着问题的解决提供了新途径。
同时,这些系列研究发表在著名期刊 Journal of Materials Chemistry
A,Applied Surface Science 等期刊上。
在已经取得显著成果的同时,注重继续深化研究。由于猪笼草口
缘表面 结构的复杂性,常规制造方法很难在金属表面进行如此复杂微
尺度三维结构的加工,后续研究将着重探索将液体单方向搬运的结构
与机理应用到实际的应用之中。比如,使用此无动力液体搬运的方法
实现刀具等表面的自润滑、远距离无动力的农业灌溉、可控微流体设
备和其它医疗设备等。此外,还将探索液体单方向搬运结构的简便智
能可控制造,制造出具有可智能调控的响应性液体单方向搬运表面,
为实现智能微流体的制备提供新途径。对于载能微创手术器械刀头表
面的粘着,在已经取得的超湿滑表面防粘效果的基础上,将液体单方
向搬运自润滑表面制备到载能微创刀头上,有望实现更好的防粘效果,
该方案的系列研究均已申请了发明专利。
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四、积极实践
在学习科研的同时,张鹏飞还积极参与学校及社会的实践。积极
服务于班级建设,在硕士阶段担任班级副班长及团委书记。在硕博第
一年,他担任了本科生《工程图学》课的助教,每周定期前往沙河校
区指导本科一年级同学的学习,并主讲上机课程。他还担任了研究生
一年级《科技写作论文》课的助教,服务研究生们的课程学习。他被
选为了 2015年研究生成才表率优秀事迹报告团的成员,将自身从事仿
生科研所遇到的故事、所得到的体会分享给广大的研究生和本科生,
传播自己对于本科到研究生的思想转变、科研方法和论文写作的见解,
为他们提供借鉴参考。在 2016年召开的首届工信部“七校论坛”上,
他作为北航的唯一学生个人研究成果代表作报告发言。在 2016年的北
航研究生迎新开学典礼上,作为其中的参演成员参与其中。
五、合作共赢
张鹏飞所从事的是具有多重学科交叉特点的研究,在两位导师的
指导下进行科研的同时,他积极和其它学校和单位合作科研,实现抱
团取暖,合作共赢。他在老师的指引下和中科院理化所的江雷院士、
刘洪亮老师合作揭示猪笼草的自然规律,研究猪笼草表面的仿生制备
和应用,探索智能仿生口缘的制备;和北航化学学院的蒋莹副教授合
作,对自然现象进行理论分析;遍寻北航校内、周边高校的实验仪器
设备来完成自己的实验。学科交叉已经成为学术研究的新趋势,多种
学科的交叉融合、多位师生思想的交叉碰撞才使得研究结果和理论更
完善,他也从中学到了很多科研之道和科学思想。
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六、获荣誉奖励
四年多的研究生期间,通过学习科研的努力,他获得了很多认可
和荣誉奖励,他获得过 2016 年北航五四奖章,2016 年北航研究生十
佳、2015 年和 2016 年连续两年的研究生国家奖学金、北航研究生成
才表率、2015年北航年度人物提名、博士研究生创新基金、博士生卓
越学术基金、空中客车奖学金、华夏聚龙奖学金和优秀学术论文奖等。
这些成果的取得是其突出成绩的真实写照,他在学院甚至学校创造了
一系列的好名次,包括:发表中国机械工程学科第一篇 Nature论文、
北航在读学生发表第一篇 Nature 论文、北航 2016 年五四奖章评比最
终得分第一、机械学院第一个研究生成才表率报告团成员、机械学院
第一个连续两年获得研究生国家奖学金、机械学院唯一一个同时获得
博士研究生创新基金和博士生卓越学术基金、机械学院历年在读博士
生发表 SCI论文影响因子之和最高、2016年机械学院博士研究生国家
奖学金评比排名第一等。
七、展望未来
北航作为工信部直属高校,始终瞄准着国家重大战略需求。张鹏
飞也将秉承北航“德才兼备,知行合一”的校训,以国家重大需求为
研究指引,继续深入开展载能微创医疗器械有关界面的深入研究、探
索智能微流体的设计与制造研究,推动医疗器械智能界面、微创器械
界面的创成与制造研究的发展,为相关科学领域的进步作出更多贡献。
已取得的成绩是对过往付出努力的认可,也是继续奋斗的动力。
在北航这个大平台下,他的导师张德远教授和陈华伟教授为他提供了
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优越的科研平台,自然基金重大项目为他提供了大好科研机遇,实验
室的同学们为他提供了良好的科研氛围,合作老师们教给他正确的学
术思想,家人们是他背后坚强的后盾。处在人生道路的十字路口,他
会百尺竿头更进一步,以更好地成绩答谢关心支持他的人们。
附 1:个人研究成果及荣誉
一、发表论文
[1] Huawei Chen*Ϯ(导师), Pengfei ZhangϮ, Liwen Zhang, Hongliang Liu,
Ying Jiang, Deyuan Zhang*(导师), Zhiwu Han, Lei Jiang*. Continuous
directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata.
Nature, 2016, 532(7597): 85-89.(Ϯ共同一作)(IF:38.1)
[2] Pengfei Zhang, Huawei Chen*, Liwen Zhang, Yi Zhang, Deyuan
Zhang*, Lei Jiang. Stable slippery liquid-infused anti-wetting surface at
high temperatures. Journal of Materials Chemistry A, 2016. (IF: 8.2)
[3] Pengfei Zhang, Huawei Chen,* Li Li, Hongliang Liu, Guang Liu,
Liwen Zhang, Deyuan Zhang, Lei Jiang. A bio-inspired smart peristome
surface for temperature-controlled unidirectional water spreading. ACS
Applied Materials & Interfaces, 2017 (IF: 7.1).
[4] Pengfei Zhang, Huawei Chen*, Liwen Zhang, Yi Zhang, Deyuan
Zhang*. Anti-adhesion effects of liquid-infused textured surfaces on
high-temperature stainless steel for soft tissue. Applied Surface Science,
2016. (IF: 3.1)
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[5] Pengfei Zhang, Huawei Chen*, Liwen Zhang, Tong Ran, Deyuan
Zhang*. Transparent self-cleaning lubricant-infused surfaces made with
large-area breath figure patterns. Applied Surface Science, 2015, 355:
1083-1090. (IF: 3.1)
[6] Pengfei Zhang, Huawei Chen*, and Deyuan Zhang*. Investigation on
surface morphology-induced effect of slippery zone in the pitchers of
Nepenthes alata. Journal of Bionic Engineering, 2015, 12(1). (IF: 1.6).
[7] Pengfei Zhang, Huawei Chen, and Deyuan Zhang. Preparation of
multi-level honeycomb-structured porous films by control of spraying
atomized water droplets. Journal of applied polymer science, 2014,131(21).
(IF: 1.8 封面文章)
[8] Pengfei Zhang, Huawei Chen*, Liwen Zhang, Tong Ran, Deyuan
Zhang. Breath figure patterns prepared by spraying ultrasonic atomized
water droplets. IEEE NEMS 2016, Sendai Japan.(EI)
[9] Pengfei Zhang, Huawei Chen*, Liwen Zhang, Deyuan Zhang.
Anti-adhesion effects of bioinspired slippery surfaces on the monopolar
scalpel for soft tissue. ICBE 2016, Ningbo China.(EI)
[10] Pengfei Zhang, Huawei Chen*, Liwen Zhang, Deyuan Zhang.
Anti-adhesion effects of nepenthes pitcher inspired slippery surfaces on
the monopolar scalpel for soft tissue. ICFDM 2016, Shenyang China.
[11] 陈华伟, 张鹏飞, 张力文, 张德远, 蒋滢, 刘洪亮, 韩志武, 江
雷. 中国科学基金,2016, 3: 217-219. (邀稿封面文章)
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[12] 张鹏飞, 张德远, 陈华伟. 猪笼草内表面微观结构及其浸润性
研究. 农业机械学报, 2014, 45(1): 341~345.(EI)
[13] 张鹏飞,张德远,陈华伟,饶夫刚. 猪笼草超滑区各向异性结
构对昆虫亲附的影响 . 北京航空航天大学第十届研究生学术论坛 .
2013.11.
二、申请的发明专利
[1] 一种液体单方向铺展仿生表面织构,申请人:陈华伟,张鹏飞,张
德远,张力文。受理号:201410589857.1,公开号:CN104355283A,
已授权。
[2] 一种载能微创手术刀具表面自润滑防粘的结构,申请人:张德远,
陈华伟,张鹏飞,张力文。受理号:201410460681.X,公开号:
CN104188719A,已授权。
[3] 一种多级蜂窝状微孔薄膜的成形方法,申请人:陈华伟,张德远,
张鹏飞,张力文。受理号:201410461188.X,公开号:CN104211981A。
三、所获荣誉/奖励/基金
2016年 12月,评得北航五四奖章;
2016年 9月, 评得研究生国家奖学金;
2016年 5月, 评得研究生十佳;
2016年 5月, 获得博士生卓越学术基金资助;
2016年 5月, 评得优秀学术论文奖;
2016年 4月, 获得“研究生成才表率”称号;
2015年 12月,获得“北航榜样”年度人物提名;
2015年 9月, 评得研究生国家奖学金;
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2015年 5月, 评得优秀学术论文奖;
2015年 3月, 获得博士研究生创新基金资助;
附 2:Nature文章及相关报道
图 1:Nature文章截图
图 2:文章被选为当期推荐文章 图 3:工信部网站报道
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图 4:国家自然科学基金委网站报道
图 5:北航主页报道
图 7:人民日报报道 图 8:光明日报报道
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图 9:中国科学报头版报道 图 10:科技日报头版报道