2021年12月27日

科研路上砥砺前行 上百次失败换来一次实验成功

他用光纤传感给机器“做体检”

李天梁在实验室

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□楚天都市报极目新闻记者 国倩 通讯员 谢小琴 陈聪

“和人一样,机器也会生病。我现在做的事情,说通俗一点,相当于是给机器‘做体检’。”出生于1990年的李天梁,现为武汉理工大学教授、博导,入选湖北省高层次创新人才。目前他带着多名“95后”的硕士生和博士生。

今年31岁的李天梁是江西吉安人。从在武汉理工大学硕博连读开始,他就和光纤传感结下了不解之缘。博士毕业后,他曾在新加坡国立大学、南洋理工大学等海外高校开展博士后研究,主要研究方向为先进光纤传感技术、机械装备动态监测、医疗机器人等。用李天梁自己的话说,他所从事研究的主要应用对象一个是大型旋转机械装备,另一个是手术机器人,“看起来八竿子打不着,但我通过不懈努力找到了相通之处。”

用光纤传感技术了解机器“生病”状态

李天梁说的这个“相通之处”,就是光纤传感技术。

像航空发动机、燃气轮机等这些冷冰冰的大型机械装备如果“生病了”,我们如何得知?这时,给机器做“体检”就十分重要。但面对航空发动机、燃气轮机内部的超高压、超高温、强磁场等极端环境,一般的传感检测方法难以满足这些极端情况的测量要求。在武汉理工大学硕博连读时,李天梁做的研究就是给工作在极端环境下的大型机械装备“看病”提供先进的感知技术。

李天梁解释,这就像我们体检去做心电图,医生借助仪器检测得到一些患者身体状况的数据,如果仪器对人体感知不够灵敏,得出错误数据就会导致医生误诊。李天梁说:“我们的光纤传感技术则能灵敏地感知机器运行状态,从而开出‘化验单’以供参考,便于对它们进行性能优化、智能运维以及精准控制。”

2016年,博士毕业的李天梁选择继续出国深造,在新加坡国立大学、南洋理工大学开展博士后研究。这一次,他又将光纤传感技术运用到了手术机器人上。“如果说给大型机械装备做体检需要感知的参量幅值特别大,那么手术机器人则需要感知极其小幅值的物理参量。我研究的正好是针对物理参量两个极端状态的测量。”李天梁说,目前手术机器人的机械臂、“灵巧手”虽能代替医生的手与人体不同组织进行交互,但由于它们力触感知能力不足,难以对人体组织实现低力度的精细化手术操作。“比如做涉及眼、脑以及心血管等这类需要极其精细化操作的手术时,往往需要机器人能感知到零点几牛,甚至毫牛级交互力。若是做切除手术时力度不够或过大,都会影响手术质量。”

针对心脏射频消融微创手术导管前端力触感知不足的问题,经过5年多不懈的努力,李天梁终于研究出可以感知零点五几毫牛力的微型(外径小于4mm)导管光纤三维力传感器,“零点五几毫牛的力大概就是羽毛轻轻扫过手掌的力度。若该技术到时应用到心脏房颤临床治疗中,将有望极大缓解患者痛苦,降低复发率,减轻医生工作负担。”

目前,李天梁开发的低成本可集成式微型多维力光纤传感器已迭代更新到第4代了,后续有望在心脏射频消融手术和脑科手术上应用。这些成果发表在众多国际高质量期刊上,得到了许多国际知名学者的关注与正面评价。

第一次独立实验带他走上科研路

李天梁的科研梦想,从儿时就开始埋下。“我爸爸曾在高炮部队当过兵,从小就听他讲起了许多国外先进的航空航天飞行器。那时我常想,长大后我也要在这方面做一些贡献。”李天梁说。

真正让李天梁决定投身于科研事业,始于理工大读研过程中他第一次独立承担一个科研小任务。“研二时,我有幸参与导师正在做的一个国家重点研发项目,我自告奋勇承担其中一个小任务,即在三个月内,完成一款面向汽轮机转子振动的非接触式光纤传感器模型验证与样机研发。”李天梁笑着说,自己当时是“初生牛犊不怕虎”,但还是感觉到了压力。

三个月里,李天梁几乎每天从早上8时实验室开门一直做实验到晚上10时关门,“当时需用到两个处于校园不同方位实验室的设备,我经常一个人从这边拿着仪器,背着电脑去另外一个实验室做实验。碰到下雨天也是如此。”

遇到难题,他就看书查文献、请教老师;方案设计有问题他就推倒重来;实验失败他就重做直至成功……在老师的支持与帮助下,李天梁负责的任务如期完成,“虽然过程很累,但从那时起我真正开始觉得做科研挺有意思的。”也正是基于这次研究,李天梁梳理出来了一篇论文并成功发表,同时获批发明专利。

这正是李天梁走上科研道路的开端,他学会了如何系统性地做科研,也更深刻体会到“成功背后意味着很多失败”的真理。

上百次的失败换来一次实验成功

“做科研不要害怕失败,失败到快崩溃的时候,就是越接近成功的时候。”在李天梁看来,做科研的第一个成果非常重要。“把第一个东西打磨好,会对个人未来发展有很大益处,即使你以后不做科研,但你也能在这个过程中锻炼自己的思维,提高解决问题的能力。”

回母校任教后,李天梁也经常用自己的经历鼓励学生。他回忆,自己刚开始学习做实验时,做第一个传感器花了近一个星期,其中最难的就是焊接和封装像头发丝一样细的光纤,“光纤很细,特别容易断,传感器封装过程中的任何一个细节出错,所有的都要推倒重来。”那时,在光纤焊接与封装这一环节,他用断了上百根光纤才换来一次实验成功。

后来,在新加坡开展博士后研究时,手术机器人上需要的传感器尺寸更小,李天梁经常需要在尺寸不到4毫米的机器人执行器上布置传感器,而得益于此前大量的实践经验,他很快就上手了。“我做过最小的力传感器外径不到2毫米,大概是一般中性笔笔盖的五分之一。”

回望来时路,李天梁说,导师们的莫大支持与悉心指导,也是支撑他顺利科研的关键,“当时,我的第一篇论文修改了不下十遍,每一次导师都耐心指导论文的细节修改。”李天梁笑着说,之前那断了的上百根光纤,也燃烧了老师不少经费。

心怀感恩的同时,李天梁也深知引路人的重要。为人师后,李天梁对学生的严格,也源自于此。

他是做科研的严师也是暖心学长

“科研上,李老师对我们要求非常严格。”研二学生陈发银说,指导大家做起实验来,李老师非常注重细节,经常亲身示范。

“老师几乎每天都要来实验室转转,我们课题组有10余人,大家研究的内容不尽相同,所做的实验也相异。但每个人在做什么实验,进行到哪一步,遇到了什么问题,李老师都特别清楚。他甚至仔细到叮嘱大家做实验拍照、拍视频进行记录,还教你用什么角度拍最好。”

正读研二的郭金秀是李天梁独立带的第一届学生,郭金秀发表的第一篇SCI论文正得益于李天梁老师的指导。“当时这篇论文改了十几次,很痛苦。每次改完给老师后,我很快就能收到他的修改意见,涉及到整个文章的框架、逻辑,以及文字细节。”

在学生们眼里,李天梁亦师亦友,做起科研他的要求近乎严苛。私下里,他却是个暖心学长。郭金秀说,两年相处下来,这位年轻导师对待事情的认真态度让自己从懒散、没信心,逐渐变得自律与自信。“李老师平时会和我们一起打羽毛球、聚餐、谈心,遇到不顺他也时常鼓励我。”

目前,李天梁老师带了多名硕士生,一名硕博连读生,承担着两门本科课程的教学。这些学生大多都是“95后”,最小的还有“00后”,他正像导师当年指导自己一样,教导着这些学生们。

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