复旦科幻研究获百万元政府资助，上海在全国率先设立基础研究特区

　　研发一款光帆飞行器，用高能激光推动100纳米厚、展开后约10平方米的光帆，将飞行器加速到光速的20%，飞往离太阳系最近的恒星系统——半人马座α星，探测＂三体人的故乡＂。这个构想，是不是颇有科幻色彩？复旦大学航空航天系教授徐凡从中发掘出一个科研项目，名为＂宇航光帆薄膜结构稳定性与智能调控＂。2021年，它入选了上海市基础研究特区计划，获得市科委200万元资助。
　　近日，徐凡课题组的研究成果发表于《物理评论快报》，并被《自然》杂志＂研究亮点＂栏目报道。＂科幻＂研究为何能产出国际顶级科技期刊青睐的成果？上海在全国首创的＂基础研究特区＂起到了伯乐作用。
　　鼓励青年人才投身原创研究
　　＂基础研究特区＂设立于2021年，是上海市政府《关于加快推动基础研究高质量发展的若干意见》推出的创新举措。在全国率先设立这类特区，旨在选择基础研究优势突出的高校和科研院所，面向重点领域和重点团队给予长期、稳定的支持，引导科研人员心无旁骛地从事前沿探索。为了推动科研组织模式和管理体制机制改革，市科委赋予＂基础研究特区＂充分的科研自主权，支持机构自由选题、自行组织、自主使用经费。
　　上海首批＂基础研究特区＂有三个——复旦大学、上海交通大学、中国科学院上海分院。市政府每年向每个特区投入2000万元，持续5年；三家单位以不少于1:1的经费比例共同投入。特区实行＂区长＂负责制，拥有充分自主权，复旦大学校长金力、上海交大校长丁奎岭、中科院上海分院院长胡金波分别担任三个特区的＂区长＂。
　　＂特区计划启动后，我校的支持对象是45岁以下、需要大力支持的青年科研人员。首批17个项目获得资助，项目负责人平均年龄为37岁，可以说是最有创新活力的年龄段。＂复旦大学科研院基础研究处处长王浩说，＂去年底，第二批项目申报启动。针对基础研究成果更多地出现在交叉领域的发展趋势，我们在交叉类项目中新增了双负责人制这一支持模式，鼓励不同学科方向的青年科研人员深入合作，开拓科学前沿。＂
　　徐凡（右）与学生使用自主研发的曲面拓扑软抓手对各种颗粒物进行智能抓取。
　　市科委基础研究处介绍，特区计划统筹部署重大科技问题带动与好奇心驱动的基础研究，力争培育更多＂从0到1＂的原创成果。由于鼓励青年人才投身创新性强、不确定性大的研究，一批在传统的政府科技计划中很难立项的课题，通过特区计划获得了数百万元资助。
　　失败风险高也能获充裕经费
　　＂85后＂教授徐凡就是一位享受到改革红利的科学家，他申报的课题入选了复旦＂基础研究特区＂首批项目。这个项目源自物理学家霍金提出的＂突破摄星＂计划——研制一款带有光帆的微型飞行器，让数千个飞行器进入太空并展开光帆，再用地球上发射的激光推动光帆，把它们加速到光速的20%，飞往4.24光年外的半人马座α星，探测那里是否有可容纳生命的类地行星。
　　光帆飞行器示意图
　　2018年，徐凡看到《自然·材料学》的一篇社论分析了＂突破摄星＂计划的可行性，对此很感兴趣。在做了一些理论计算后，他觉得霍金的想法是有可能实现的，前提是研制出具有极限性能的光帆。作为薄膜力学专家，他知道光帆薄膜易起皱，会导致激光反射方向不规则变化，使飞行器偏离航线。如何提升膜结构光帆的形面平整性和稳定性，是一大挑战。
　　虽然很感兴趣，但因为＂突破摄星＂非常前沿，争议性也很大，徐凡就没有研究下去。基础研究特区计划在复旦启动后，他得知这项计划鼓励青年科研人员勇闯＂无人区＂，失败风险高的项目也可能入选，就申报了这个项目。经过函评和答辩，＂宇航光帆薄膜结构稳定性与智能调控＂成功立项。
　　＂这是我拿到的经费最多的单项项目，市科委给了200万元，复旦也有共同投入。＂徐凡告诉记者。特区项目的资源投入还可以在中期检查时，根据执行情况灵活调整，他希望届时获得更多的经费支持。
　　在长期、稳定的政府和高校支持下，徐凡已取得不少进展。在实验室，记者看到一台基于卡文迪许扭秤的激光帆姿态测量装置，装置里有一片小型液晶薄膜光帆，在激光照射下会旋转，偏转角的实验值与理论预测吻合。课题组已为这种装置申请了中国发明专利。
　　基于卡文迪许扭秤的激光帆姿态测量装置
　　在电脑上，徐凡演示了光帆展开动力学计算结果，只见一张折叠成X形的光帆徐徐打开，与美国＂光帆2号＂飞行器的光帆展开过程基本一致。据介绍，＂光帆2号＂以太阳光为动力，2019年在太空实现了光驱动变轨。激光帆则是以激光为动力，技术难度更大，速度也比太阳光帆飞行器快得多。
　　＂无用之大用＂催生智能抓手
　　目前，国内只有极少数团队在研究激光帆，徐凡课题组是其中之一。放眼全球，美国科学家在研发激光帆原型样机，已用实验验证了激光驱动光帆技术的可行性，相关论文发表于《物理评论快报》。可见，这个前沿领域不乏国际竞争。
　　今年2月，《物理评论快报》刊登了徐凡等人的论文《曲率调控圆环多相模态》。这篇被《自然》以＂研究亮点＂专题报道的论文，揭示了自然界中普遍存在的环形核壳结构变形后，其表面产生褶皱斑图的内在机制，并建立了可预测形貌变化的核壳力学模型。＂这项基础研究有普适性，因为大到宇宙星系，小到水母、辣椒和线虫，都有环形核壳结构。＂徐凡解释，＂对宇航光帆项目来说，我们可以用模型预测并控制光帆薄膜的褶皱，否则激光反射方向会不可控，让飞行器偏离航线。＂
　　徐凡等人的论文以封面文章形式发表于《自然·计算科学》。
　　＂基础研究特区＂项目看似天马行空，其实也有短期内转化应用的潜在价值。去年10月，徐凡课题组与清华大学教授冯西桥合作研究的成果以封面文章形式，发表于《自然·计算科学》。他们观察到，因存放时间较长而失水的百香果表面会出现复杂的褶皱形貌演化。受此启发，他们发明了一种基于手性形貌的自适应曲面软抓手。实验显示，这种包裹硅胶的软抓手能抓取坚果、石头、玻璃碎片等各种形状和材料的物体，颇为神奇。
　　智能软抓手能抓取各种形状和材料的颗粒物。
　　徐凡与哈工大专家讨论后认为，智能抓手可用于清除太空垃圾，防止它们损坏航天器。美国国家航空航天局估计，大约有100万块微小碎片在绕地球运行。又轻又小的光帆飞行器如果被碎片击中，就无法完成星际航行，所以有安装智能抓手的需求。这种抓手也可用于其他航天器以及矿井、深海等极端工况环境，以清除或筛选各种颗粒物。徐凡课题组为它申请了中国发明专利，希望尽早实现成果转化和应用。
　　＂这就是基础研究的价值。＂徐凡感慨道，＂基础研究有‘无用之大用’，虽然实用性比不上应用研究，但可以成为很多技术发明的基础。＂
　　这位曾留学法国的科学家说，法国人有重视基础研究的文化传统，历史上出现过很多大科学家。另一方面，法国的航空、核电等先进制造业也是世界一流，这与他们重视基础研究有密切关系。令他欣喜的是，中国近年来越来越重视基础研究，上海＂基础研究特区＂的设立，就体现了政府的高度重视和改革作为。
　　据悉，上海市第二批基础研究特区计划已启动，同济大学、华东师范大学、华东理工大学成为特区，每家单位每年将获得1000万元资助，持续5年。全市现有6个＂基础研究特区＂，它们都面向世界科技前沿或国家重大需求，根据自身学科优势遴选项目，探索更适合基础研究特点的管理制度，力争产出一批重大原创成果。
　　栏目主编：黄海华 题图来源：视觉中国 图片编辑：朱瓅