記者俞陶然

  研發一款光帆飛行器，用高能雷射推動100納米厚、展開後約10平方米的光帆，將飛行器加速到光速的20%，飛往離太陽系最近的恒星系統——科幻小說裏“三體人的故鄉”半人馬座α星。這個構想，是不是頗有科幻色彩？復旦大學航空航太系教授徐凡從中發掘出一個科研專案，名為“宇航光帆薄膜結構穩定性與智慧調控”。2021年，它入選了上海市基礎研究特區計畫，獲得市科委200萬元資助。

  近日，徐凡課題組的研究成果發表於《物理評論快報》，並被《自然》雜誌“研究亮點”欄目報導。“科幻”研究為何能產出國際頂級科技期刊青睞的成果？上海在全國首創的“基礎研究特區”起到了伯樂作用。

  鼓勵青年人才投身原創研究

  “基礎研究特區”設立於2021年，是上海市政府《關於加快推動基礎研究高質量發展的若幹意見》推出的創新舉措。在全國率先設立這類特區，旨在選擇基礎研究優勢突出的高校和科研院所，面向重點領域和重點團隊給予長期、穩定的支持，引導科研人員心無旁騖地從事前沿探索。為了推動科研組織模式和管理體制機制改革，市科委賦予“基礎研究特區”充分的科研自主權，支持機构自由選題、自行組織、自主使用經費。

  上海首批“基礎研究特區”有3個——復旦大學、上海交通大學、中國科學院上海分院。市政府每年向每個特區投入2000萬元，持續5年；三家組織以不少於1∶1的經費比例共同投入。特區實行“區長”負責制，擁有充分自主權，復旦大學校長金力、上海交大校長丁奎嶺、中科院上海分院院長胡金波分別擔任三個特區的“區長”。據悉，上海市第二批“基礎研究特區”計畫已啟動，同濟大學、華東師範大學、華東理工大學成為特區，每家組織每年將獲得1000萬元資助，持續5年。這6個“基礎研究特區”都面向世界科技前沿或國家重大需求，根據自身學科優勢遴選項目，探索更適合基礎研究特點的管理制度，力爭產出一批重大原創成果。

  “特區計畫啟動後，我校的支持對象是45歲以下、需要大力支持的青年科研人員。首批17個項目獲得資助，專案負責人平均年齡為37歲。”復旦大學科研院基礎研究處處長王浩說，“去年底，我們啟動了第二批專案申報，針對交叉類項目新增了雙負責人制這一支持模式，鼓勵不同學科方向的青年科研人員深入合作，開拓科學前沿。”

  市科委基礎研究處介紹，特區計畫統籌部署重大科技問題帶動與好奇心驅動的基礎研究，力爭培育更多“從0到1”的原創成果。由於鼓勵青年人才投身創新性强、不確定性大的研究，一批在傳統的政府科技計畫中很難立項的課題，通過特區計畫獲得了數百萬元資助。

  失敗風險高也能獲充裕經費

  “85後”教授徐凡就是一比特享受到改革紅利的科學家，他申報的課題入選了復旦“基礎研究特區”首批項目。這個項目源自物理學家霍金提出的“突破攝星”計畫——研製一款帶有光帆的微型飛行器，讓數千個飛行器進入太空並展開光帆，再用地球上發射的雷射推動光帆，把它們加速到光速的20%，飛往4.24光年外的半人馬座α星，探測那裡是否有可容納生命的類地行星。

  2018年，徐凡看到《自然·材料學》的一篇社論分析了“突破攝星”計畫的可行性，對此很感興趣。在做了一些理論計算後，他覺得霍金的想法是有可能實現的，前提是研製出具有極限效能的光帆。作為薄膜力學專家，他知道光帆薄膜易起皺，會導致雷射反射方向不規則變化，使飛行器偏離航線。如何提升膜結構光帆的形面平整性和穩定性，是一大挑戰。

  雖然很感興趣，但因為“突破攝星”非常前沿，爭議性也很大，徐凡就沒有研究下去。“基礎研究特區”計畫在復旦啟動後，他得知這項計畫鼓勵青年科研人員勇闖“無人區”，失敗風險高的項目也可能入選，就申報了這個項目。經過函評和答辯，“宇航光帆薄膜結構穩定性與智慧調控”成功立項。

  “這是我拿到的經費最多的單項項目，市科委給了200萬元，復旦也有共同投入。”徐凡告訴記者。特區項目的資源投入還可以在中期檢查時，根據執行情况靈活調整，他希望届時獲得更多的經費支持。

  在政府和高校長期、穩定的支持下，徐凡已取得不少進展。在實驗室，記者看到一臺基於卡文迪許扭秤的雷射帆姿態量測裝置，裝置裏有一片小型液晶薄膜光帆，在雷射照射下會旋轉，偏轉角的實驗值與理論預測吻合。課題組已為這種裝置申請了中國發明專利。

  在電腦上，徐凡演示了光帆展開動力學計算結果，只見一張折疊成X形的光帆徐徐打開，與美國“光帆2號”飛行器的光帆展開過程基本一致。據介紹，“光帆2號”以太陽光為動力，2019年在太空實現了光驅動變軌。雷射帆則是以雷射為動力，科技難度更大，速度也比太陽光帆飛行器快得多。

  “無用之大用”催生智慧抓手

  “基礎研究特區”項目看似天馬行空，其實也有短期內轉化應用的潜在價值。去年10月，徐凡課題組與清華大學教授馮西橋合作研究的成果以封面文章形式，發表於《自然·計算科學》。他們觀察到，因存放時間較長而失水的百香果表面會出現複雜的褶皺形貌演化。受此啟發，他們發明了一種基於手性形貌的自我調整曲面軟抓手。實驗顯示，這種包裹矽膠的軟抓手能抓取堅果、石頭、玻璃碎片等各種形狀和資料的物體，頗為神奇。

  徐凡與哈工大專家討論後認為，智慧抓手可用於清除太空垃圾，防止它們損壞航天器。美國國家航空航太局估計，大約有100萬塊微小碎片在繞地球運行。又輕又小的光帆飛行器如果被碎片擊中，就無法完成星際航行，所以有安裝智慧抓手的需求。這種抓手也可用於其他航天器以及礦井、深海等極端工况環境，以清除或篩選各種顆粒物。徐凡課題組為它申請了中國發明專利，希望儘早實現成果轉化和應用。

  “這就是基礎研究的價值。”徐凡感慨道，“基礎研究有‘無用之大用’，雖然實用性比不上應用研究，但可以成為很多科技發明的基礎。”

  這位曾留學法國的科學家說，法國人有重視基礎研究的文化傳統，歷史上出現過很多大科學家。另一方面，法國的航空、核電等先進製造業也是世界一流，這與他們重視基礎研究有密切關係。令他欣喜的是，中國近年來越來越重視基礎研究，上海“基礎研究特區”的設立，就體現了政府的高度重視和改革作為。