還記得普羅米修斯里面那個(gè)生病老人的錄像嗎？還記得鋼鐵俠托尼的智能電腦管家“賈維斯”嗎？這些都是全息投影技術(shù)。如今，這樣的黑科技已經(jīng)在我們的身邊出現(xiàn)了。
近日，重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授楊巖帶領(lǐng)研究小組研發(fā)的數(shù)字全息顯微鏡樣機(jī)已經(jīng)基本完成，預(yù)期在年內(nèi)就可進(jìn)行試驗(yàn)性測(cè)量工作。
“與傳統(tǒng)顯微鏡不同，我們研發(fā)的數(shù)字全息顯微鏡可以對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)的空間觀測(cè)，研究人員可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行360度的空間觀察，使測(cè)量更加直觀。”據(jù)楊巖介紹，全球只有瑞士一家企業(yè)對(duì)數(shù)字全息顯微鏡進(jìn)行了商業(yè)化生產(chǎn)，但在實(shí)時(shí)性方面，目前只能作到微米尺度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。而國(guó)內(nèi)對(duì)數(shù)字顯微全息技術(shù)的研究基本都處在實(shí)驗(yàn)室光學(xué)平臺(tái)上試驗(yàn)的階段。
完成全息顯微鏡研發(fā) 下一步想做全息電視
“現(xiàn)在市面上有很多所謂的全息技術(shù)產(chǎn)品，是利用欺騙人眼的方式使人獲得三維感，真正的全息技術(shù)是在空間真實(shí)顯示一個(gè)物體，但是很遺憾，目前的技術(shù)水平只能做到靜態(tài)顯示，或者是微米級(jí)別空間場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)顯示，我們研發(fā)的技術(shù)目前可以實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)別空間場(chǎng)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的實(shí)時(shí)顯示，今后預(yù)期可以擴(kuò)展到大目標(biāo)的實(shí)時(shí)顯示，比如全息電視。”楊巖以一個(gè)細(xì)胞為例表示，如果用新型的全息顯微技術(shù)觀測(cè)，細(xì)胞將在空間中運(yùn)動(dòng)，人可以使用任意角度進(jìn)行觀察。“相當(dāng)于這個(gè)細(xì)胞是飄在你面前的，上下左右隨意觀察。這就是我們這幾年一直在做的事情。”
楊巖的數(shù)字全息顯微鏡研究開(kāi)始于五年前，但對(duì)于全息技術(shù)的研究則要追溯到2003年到韓國(guó)讀博。
“當(dāng)年我的導(dǎo)師有兩個(gè)研究方向，一個(gè)是做流體研究，另一個(gè)就是全息技術(shù)。其實(shí)從面試到報(bào)到，我們一直確定以后的研究方向是流體，但就在報(bào)到那天，老師隨口一說(shuō)，說(shuō)自己還有全息研究，那時(shí)年輕，搞不懂的都想去做做。”全息技術(shù)和楊巖以往的知識(shí)體系毫無(wú)關(guān)系，他甚至連全息這個(gè)英文單詞都不知道。但導(dǎo)師的解釋和圖片展示讓他對(duì)全息產(chǎn)生了極大的興趣，決定開(kāi)展這方面研究。
下定決心研究全息技術(shù)后，楊巖從專(zhuān)業(yè)單詞開(kāi)始學(xué)，然后是各種概念、程序等等。每天他都要去給老師匯報(bào)今天學(xué)了幾個(gè)概念或者編程的命令，有什么用處。半年后，楊巖基本入門(mén)了。
“入門(mén)之后就越來(lái)越有興趣，而且是懂的越多，不懂的就更多，解決一個(gè)問(wèn)題之后發(fā)現(xiàn)還有更多問(wèn)題，這極大地激發(fā)了我的興趣。” 據(jù)楊巖回憶，當(dāng)年每天最遲七點(diǎn)半進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，晚上兩三點(diǎn)才回去寢室，有時(shí)甚至直接住在實(shí)驗(yàn)室。“真的是辛苦，但是現(xiàn)在想來(lái)還是比較值得。”
楊巖畢業(yè)時(shí)，導(dǎo)師曾問(wèn)他回國(guó)后是否會(huì)繼續(xù)從事全息技術(shù)研究，楊巖表示用五年時(shí)間來(lái)研究，如果沒(méi)有成果，就會(huì)選擇放棄，因?yàn)楫吘棺约罕緛?lái)的專(zhuān)業(yè)是機(jī)械方向。
“回國(guó)之后就從事這塊研究，而且想把全息技術(shù)用來(lái)檢測(cè)流體，才有了現(xiàn)在的全息顯微鏡。”楊巖說(shuō)，全息顯微鏡樣機(jī)已經(jīng)能基本實(shí)現(xiàn)空間觀測(cè)，目前正在完善軟件，使全息呈現(xiàn)更清晰流暢。“一直想把全息顯微鏡做成商品化，所以跟企業(yè)進(jìn)行了技術(shù)合作，年底應(yīng)該會(huì)有東西出來(lái)。”
完成了全息顯微鏡后，楊巖將目光投向了全息電視。在他看來(lái)，如果一個(gè)活動(dòng)的細(xì)胞顯示能實(shí)現(xiàn)，那么把這個(gè)細(xì)胞換成動(dòng)態(tài)影片，理論上是可以實(shí)現(xiàn)全息電視的。
“但這條路還比較遠(yuǎn)，全息顯微鏡我們做了5年，電視是一個(gè)產(chǎn)業(yè)問(wèn)題，投入將更大，但肯定是我的一個(gè)目標(biāo)。” 楊巖說(shuō)，歐盟投入了20億歐元做全息電視研究，很多國(guó)家也都在做這方面研究，“我們目前這個(gè)實(shí)時(shí)技術(shù)，也可以在全息電視技術(shù)方面解決一定的問(wèn)題，不管是從興趣還是責(zé)任講，搞研究的人還是要做一點(diǎn)貢獻(xiàn)。”
全息技術(shù)從無(wú)到有 有人質(zhì)疑也有人支持
從韓國(guó)回來(lái)后，因?yàn)槿⒓夹g(shù)研究需要大量投入，楊巖開(kāi)始申請(qǐng)國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金，希望能得到更多經(jīng)費(fèi)支持。然而因?yàn)榉N種原因，一直到第四次，楊巖才申請(qǐng)到國(guó)家自然科學(xué)基金。
“中間我也想過(guò)是不是偏了點(diǎn)，不被認(rèn)可，但很多評(píng)語(yǔ)是認(rèn)可這個(gè)基礎(chǔ)，就是懷疑研究條件。”據(jù)楊巖回憶，才回國(guó)時(shí)，手里的研究項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)僅有兩三萬(wàn)。在這樣的條件下，只能想盡辦法節(jié)約出錢(qián)來(lái)做全息技術(shù)研究。
“其實(shí)我們一個(gè)光學(xué)平臺(tái)就要兩三萬(wàn)，還是最撇的。”楊巖說(shuō)，買(mǎi)透鏡時(shí)，要多家比較，哪怕只節(jié)約幾十塊錢(qián)就可以買(mǎi)另外的東西。為了做實(shí)驗(yàn)，他還去借本科生的物理實(shí)驗(yàn)室，有段時(shí)間甚至跑回韓國(guó)導(dǎo)師那里或委托那邊的學(xué)生幫忙做實(shí)驗(yàn)。
盡管一直沒(méi)有申請(qǐng)到國(guó)家基金，但理工大學(xué)校內(nèi)的領(lǐng)導(dǎo)和老師卻給予了楊巖很大支持。機(jī)械工程學(xué)院院長(zhǎng)郭曉東當(dāng)時(shí)是學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，看到楊巖的努力，專(zhuān)門(mén)給了他一個(gè)房間作為實(shí)驗(yàn)室。楊巖本科時(shí)的老師黃金教授還把自己的科研經(jīng)費(fèi)拿出一部分支持他。
“當(dāng)時(shí)有單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)室還是很激動(dòng)，因?yàn)槟銏?bào)申請(qǐng)材料的時(shí)候就可以寫(xiě)，可以拍照。當(dāng)時(shí)雖然很多人質(zhì)疑我偏移了機(jī)械，但是各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)還是很支持，因?yàn)樗麄冏鳛閷W(xué)者來(lái)說(shuō)，對(duì)全息的發(fā)展是認(rèn)同的。”
第四年，楊巖申請(qǐng)到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，當(dāng)他把這個(gè)消息告訴自己的研究生時(shí)，大家都激動(dòng)不已。“因?yàn)橛辛私?jīng)費(fèi)我們馬上就可以買(mǎi)設(shè)備，有的研究生就翻出之前沒(méi)有錢(qián)買(mǎi)不起的設(shè)備，問(wèn)是不是可以考慮買(mǎi)了。”楊巖說(shuō)，當(dāng)年很困難，因?yàn)榕d趣一直在堅(jiān)持，但當(dāng)你把研究做到一定程度后，就不會(huì)考慮其他，會(huì)覺(jué)得這是自己應(yīng)該做的事情。
研發(fā)農(nóng)機(jī)測(cè)量臺(tái) 提高重慶農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平
四年前，理工大學(xué)時(shí)任副校長(zhǎng)許洪斌教授發(fā)現(xiàn)重慶農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度極低，適合山區(qū)丘陵的農(nóng)機(jī)僅有一種微耕機(jī)，決定組建團(tuán)隊(duì)進(jìn)行農(nóng)機(jī)研究，楊巖教授的研究小組加入其中。
“從科技研發(fā)方面講，這里面有大量的技術(shù)難題需要解決，這是科技工作者責(zé)無(wú)旁貸的任務(wù)，另一個(gè)層面就是我們都是高校教師，還是要做點(diǎn)實(shí)事，解決一些老百姓實(shí)際問(wèn)題，所以當(dāng)時(shí)成立了專(zhuān)門(mén)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。”據(jù)楊巖介紹，就農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度而言，我國(guó)與國(guó)外差距很遠(yuǎn)。國(guó)內(nèi)而言，北方優(yōu)于南方，但大機(jī)器基本是進(jìn)口，被國(guó)外壟斷。
我國(guó)有百分之六十的丘陵地區(qū)，糧食產(chǎn)量百分之六十在丘陵，但這些地區(qū)的機(jī)械化程度卻非常低，而整個(gè)山地農(nóng)機(jī)行業(yè)僅有微耕機(jī)在廣泛使用。同時(shí)，農(nóng)機(jī)市場(chǎng)技術(shù)含量低，重慶企業(yè)自己研發(fā)的小型的山地聯(lián)合收割機(jī)平均無(wú)故障工作時(shí)間僅有20個(gè)小時(shí)，也就是一天干8個(gè)小時(shí)，三天就會(huì)壞一次。
“有一次看過(guò)德國(guó)的農(nóng)機(jī)視頻后，發(fā)現(xiàn)我們差太遠(yuǎn)了，這也愈發(fā)地激發(fā)了我們這些搞科研的，不光從社會(huì)責(zé)任、還是科技角度，都要趕上他們，更要為我們的農(nóng)民做點(diǎn)實(shí)事。”楊巖說(shuō)，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了多功能山地作業(yè)機(jī)、新型聯(lián)合收割機(jī)等適合丘陵山區(qū)的作業(yè)機(jī)型，但發(fā)現(xiàn)山地農(nóng)機(jī)所需的種類(lèi)太多，不可能每樣都去研發(fā)，通過(guò)一段時(shí)間的摸索，團(tuán)隊(duì)逐漸發(fā)現(xiàn)山地農(nóng)機(jī)最欠缺是測(cè)試技術(shù)。
“目前的山地農(nóng)機(jī)沒(méi)有試驗(yàn)環(huán)節(jié)，生產(chǎn)出來(lái)后就直接推向市場(chǎng)，壞了再拿回來(lái)修。實(shí)際上正常的程序應(yīng)該是，樣品出來(lái)后進(jìn)行測(cè)試，然后再返回修改，但現(xiàn)在沒(méi)有測(cè)試環(huán)節(jié)，所以我們發(fā)現(xiàn)要解決農(nóng)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題的源頭，是在于測(cè)試。”因此，楊巖和團(tuán)隊(duì)開(kāi)始做一系列的試驗(yàn)裝置。他們?yōu)閺S家提供試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，設(shè)計(jì)人員根據(jù)測(cè)試后獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，這樣就從源頭上解決了農(nóng)機(jī)的質(zhì)量問(wèn)題。
“其實(shí)現(xiàn)在我們的農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)人員能設(shè)計(jì)出很多東西，但問(wèn)題是設(shè)計(jì)出來(lái)之后不好用，不好用的根源就是沒(méi)有相關(guān)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)手段，這是行業(yè)目前急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。”楊巖說(shuō)，目前他也正在研究將全息技術(shù)和農(nóng)業(yè)方面的測(cè)量領(lǐng)域相結(jié)合，探索一些新路徑。
楊巖簡(jiǎn)介：
楊巖，教授，碩士生導(dǎo)師。重慶市巴渝學(xué)者，重慶市高校優(yōu)秀人才，江蘇省雙創(chuàng)人才，全國(guó)機(jī)械原理研究會(huì)理事、西南分會(huì)副理事長(zhǎng)，重慶農(nóng)業(yè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)委員，sci雜志《Science and Technology of Nuclear Installations》、《Advances in Materials Science and Engineering》客座主編，重理工-威馬農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所所長(zhǎng)，重慶理工大學(xué)智能山地農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所所長(zhǎng)，江蘇省沼液沼渣出料機(jī)械工程技術(shù)研究中心副主任。
1993.09-1997.07，獲得重慶工業(yè)管理學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)學(xué)士學(xué)位；2002.09-2005.07，獲得重慶大學(xué)固體力學(xué)專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位；2006.03-2009.06，獲得韓國(guó)國(guó)立全南大學(xué)機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位，2010.02-2010.08，韓國(guó)國(guó)立全南大學(xué)汽車(chē)研究所博士后研究員。1997.07-至今，重慶理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院教師。在國(guó)內(nèi)外重要刊物如Optics Communications、Applied Optics、中國(guó)激光等發(fā)表論文數(shù)十篇；授權(quán)專(zhuān)利10余件。
研究領(lǐng)域：高精度數(shù)字全息測(cè)量技術(shù)、智能山地農(nóng)業(yè)機(jī)械
