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胡金蓮的科研人生 | 小纖維正在改變大世界
香港城市大學胡金蓮教授創造并保持著諸多紀錄。比如,她是獲得美國纖維學會杰出成就獎的第一個亞洲人,是獲得桑麻基金會紡織科學技術獎一等獎的第一位香港學者。她還是迄今為止在紡織及紡織材料領域中唯一的一位美國國家發明家科學院院士。她領導成立了全球第一家形狀記憶紡織品研究中心,被譽為“記憶纖維”的創始人。
▲胡金蓮
這是一位永遠追求領先一步的女性,她將這種性格也帶入日常的科研工作之中,使她能夠成為智能紡織品和紡織材料領域最活躍和富有成果的科學家之一。她用智慧和勇氣打破了傳統與束縛。在她的手中,一根纖維不再只是纖維,而是承載了無限可能和希望的載體。
胡金蓮的研究足跡遍布從微觀分子到宏觀應用的諸多角落。她不僅是形狀記憶高分子材料在紡織領域的探索者,更是將這些高科技材料應用于服裝、美容、建筑甚至醫療領域的拓荒者。她的成果,也不僅是學術上的突破,更獲得了市場化的成功。她帶領團隊將研究成果轉化為實實在在的產品,讓更多的人能夠享受到科技進步帶來的福祉。她以堅定的信念和不懈的努力,將細小纖維的力量發揮到極致,為世界帶來了創新性的變化。
探索前沿
胡金蓮積極、敏銳和追求卓越的性格源自于青少年時期的生活歷練。她出生于20世紀60年代的湖北,那是一個運動不斷的動蕩時期,一家人的命運隨著時代洪流而沉浮。在她很小的時候,便隨著父母下放農村生活。作為大家庭五個孩子中唯一的女孩,她享受到全家的疼愛與呵護,同時也早早地幫媽媽承擔起繁重而瑣碎的家務勞動。
胡金蓮繼承了父親的嚴謹細致和母親的不拘一格,在那最艱難的歲月里,父母的行為塑造著這個未來科學家的性格。“就像種子扎進心里,影響了我一輩子。”胡金蓮如是說。
求學不易,她格外珍惜“知識改變命運”的機會,刻苦攻讀。中學時,她就是“學霸”一級的人物。高考結果公布,她是整個公社6間中學里唯一考上大學的女孩子。由于當時紡織工業是國家發展的支柱產業,老師們為她出謀劃策,幫她選擇了武漢紡織工程學院(現武漢紡織大學前身)機織工程專業,胡金蓮從此和紡織工程結下了40多年的不解之緣。
來到紡織工程學院,一個嶄新的世界在胡金蓮面前展開。除了學習怎么織布、學習機器的結構,以及設計原理和功能制造之外,她對于材料背后的科學更產生了濃厚興趣。在旁人眼里,努力學習既是很苦很累的事,更是不夠聰明的表現,胡金蓮卻樂此不疲,享受其中:“我從沒有覺得條件艱苦,也沒有覺得多累。對于自己設定的目標,全力以赴,問心無愧就行!”
正是這樣求知若渴、孜孜不倦、有時候還有一點“癡迷”的精神,讓她在本科畢業一年后考取了中國紡織大學(現東華大學)紡織材料學的碩士研究生,并在1990年的中英聯合獎學金36個公派赴英留學名額之中,成為唯一一名來自紡織界的學員。
這一年,29歲的胡金蓮開啟了英倫深造的生涯。她在曼徹斯特大學一頭扎進了紡織前沿科技的海洋,像海綿一樣爭分奪秒地汲取著知識和創造的營養。有機會面對世界頂級學者和行業專家去求教探討,使得胡金蓮逐漸具備了極高的國際視野,而與國際著名的研究中心保持密切的合作關系,也讓她對國際主流發展方向有了更為準確的把握,對其后來的科研生涯產生非常深刻的影響。飽經世界名校的熏陶與磨礪,胡金蓮對于長期鉆研的紡織領域也有了自己獨到的認知。“這些都是我創新性地工作,做出重要發現,從而影響整個科研領域的源泉。”
1994年,學成歸來的胡金蓮選擇了香港理工大學作為自己學術研究的新起點。香港作為國際大都市的開放環境,讓胡金蓮如魚得水,充滿動力。她為香港理工大學紡織及制衣系發展成為全球紡織科技領域三大頂尖機構之一作出了自己的貢獻。
文明的發達程度向來同人們應用材料的水平息息相關,而新材料的發明極大改變了現代人的生活與工作方式。時間來到20世紀90年代中葉,與古人基本上只能應用天然材料不同,這是一個智能材料的時代,比歷史上任何一個時代都更多地制造和創造人造材料。胡金蓮此時敏銳并創造性地選擇了記憶材料作為新的紡織服裝材料的發展方向。她敢為人先,認定交叉學科是創造性成果的生長點和成長的沃土,并在這一領域開拓出一片天地,為紡織服裝打破“夕陽行業”的形象作出了貢獻。
2003年,胡金蓮領導成立了全球首家形狀記憶紡織品中心,花了約6年時間,采用一種特殊的形狀記憶聚氨酯,成功研發出國際首創的具有形狀記憶功能的織物料。這種被譽為“聰明布”的織物料有別于普通布料,它不但可以在指定溫度的熱水洗滌后恢復原狀,且具有保留衣服褶痕、表面平滑度,以及恢復凹凸位原狀等特性。胡金蓮曾經讓研究人員現場示范了多項實驗,其中一項是向兩塊褶皺布料噴熱蒸汽,結果加工過的具有形狀記憶的布料恢復平滑,而另外一塊普通布料就依然褶皺。
這一領先世界的發明,對全球紡織行業來說具有里程碑意義。胡金蓮解釋道,這些“記憶特性”不但可應用于一般成衣及高檔次時裝,為紡織及成衣業界開創全新的設計空間,還可應用于其他行業及產品,例如醫療用具、玩具及美容面膜等。在此后不久,團隊就結合形狀記憶發泡材料及羥基磷灰石(骨骼組織的主要礦物成分),設計及制造出一種可自行填補高效能的骨骼支架,能安全及方便地植入骨骼缺損位置,令骨骼再生,有助骨傷及骨折病人康復。這種支架由形狀記憶材料制成,可在0℃將其壓縮,在室溫下進行移植,并在40℃完全恢復原來的形狀,因而可自行全然填補形狀不規則的骨缺損,從而減少病人住院日數及感染風險。
胡金蓮研發的新材料一鳴驚人,不僅取得了中國及美國多項專利,屢次斬獲國際大獎,也引來了不同行業的關注,國內外多家公司邀請胡金蓮去作報告,向她提出自己的困惑和需求,尋求合作。胡金蓮則在充分地聽取、參觀、了解企業的需求之后,把問題帶回來和同事們探索研究,最終形成解決方案。
“我們要做到快速和全身心地擁抱新技術與新變化。”胡金蓮強調說,“材料技術在不斷發展,我們絕不能故步自封,要勇于去創新,去突破,用長遠的眼光和超前的意識來思考學科的發展。”她內心篤定,要為紡織工業的發展,以及高品質生活質量的追求,作出更多更大的貢獻。
從制造到“智造”
由制造到“智造”,雖然僅有一字之差,但其間的技術含量和創造的價值卻是云泥之別。目前,紡織科技創新需要多學科、多領域的交叉融合已成為業內共識,但在二三十年之前,能夠有如此遠見和認知的,胡金蓮是為數不多的學者之一。
“把很多纖維并在一起,捻一捻,搓一搓,這就形成了一種結構。多級結構造就了紡織材料的獨一無二。”胡金蓮耐心地介紹著,“而多種原料、多種技術的復合,其應用領域、使用環境千差萬別。紡織行業的科技創新,絕不能僅僅局限于行業內部,一定要博采眾長,利用計算機、材料、化學等其他行業的最新成果及可借鑒的成功發展模式,促進行業發展。”她堅信,隨著時代發展,將材料與高科技結合起來,會帶來更多的機遇和更多的功能,以及無限可能。
尤其在入職香港城市大學之后,無論是在理論方面,還是在制造方法上,胡金蓮帶領團隊都做了大量的工作,申請和獲得了數十項專利。多年的歷練讓胡金蓮探索到了一條從概念到研究再到市場的道路:首先要有大量的基礎研究,其次要把理念轉變成實踐,把研究成果和工業生產結合,最后幫助企業應用。她一直致力于分子設計、材料合成、結構表征、應用開發,以及產品的性能等研發模式和項目管理方面的創新,將紡織工業的上中下游從頭到尾有機地結合起來,帶領團隊開發出服裝的智能化、新能源材料、可穿戴傳感器等多種材料,為推動香港的工業發展和香港國際創新中心的樹立作出積極的引領貢獻。
近年來,基于蜘蛛絲的記憶行為,胡金蓮在仿生蜘蛛絲領域也取得了重大進展。她首次提出并高效實現了蜘蛛絲結構里同時具有β-折疊和α-螺旋及無規線團結構的仿蜘蛛絲蛋白,從而開發出目前世界上最韌且可量產化的纖維材料。這是在形狀記憶纖維的經驗和理論基礎上的又一個重大發展,也是世界上第一個利用化學方法制造的具有蜘蛛絲高性能的纖維。
在研究過程中,胡金蓮將紡織上十分常見的雙股線結構與人體DNA雙螺旋結構“結合”在一起,通過設計織物結構,來實現傳感器的性能。用它來做測量血壓的壓力傳感器,也可以用在中醫號脈場景需要,幾乎沒有滯后性,耐用性達6000次循環。
隨著時代發展和科技進步,開發智能可穿戴系統對人體健康管理具有重要意義。可穿戴設備最大的要求,是要和皮膚貼合或者符合人的生理結構,應具有高透氣性、排濕功能、高靈敏度和舒適的用戶體驗等關鍵特性。胡金蓮團隊利用先進的靜電紡絲技術,將仿生結構、納米焊接技術、柔性電路設計、多功能傳感功能和大數據分析結合起來,開發了一種用于健康管理的智能仿生皮膚貼片。通過控制納米纖維的制備和構建仿生二級結構,得到的納米纖維膜與人體皮膚非常相似,具有優異的透氣性、透濕性和單側排汗性能。此外,仿生貼片還具有對汗液代謝物的高精度信號采集能力;通過原位傳感電極和柔性電路設計,可以精確測量皮膚溫度、皮膚阻抗和肌電信號。這一成果在健康管理系統和康復工程管理中具有很大的應用潛力。
工業領袖之助
從天然動植物到合成材料,從棉毛絲麻到聚酯,從一根纖維,到一匹布、再到一套服裝,紡織材料的發展,從實用性到功能性再到智能性,胡金蓮表示:細小的纖維正在走進大世界,為人類的健康幸福帶來巨大的影響。“我們正處在一個顛覆性的時代,紡織材料及紡織品也正在前所未有地被重視,被看作為人類帶來健康和幸福的重要結構材料,可以為可穿戴電子、環保節能帶來新的機會和給我們紡織行業帶來新的繁榮。”
胡金蓮強調,材料研究領域的特點是綜合性強,它一頭深深扎根于基礎研究,另一頭則與廣泛的社會需求緊密相連。所以,她很注重與工業界的“雙向奔赴”,總期待著能把有潛力的科研成果盡快推到市場上去,讓它們去實現價值。在她看來,停留在紙面上的發明和專利并沒有什么社會價值和經濟價值,只有把它應用起來,推進產業化,造福公眾,價值才能真正實現。
▲胡金蓮和團隊成員在一起
胡金蓮擁有過研究院所和高校科研的工作經驗,以及投身商海創業的多重經歷,這是她與眾不同的獨特優勢,這使她經常能夠換位思考,知道企業的難處在哪兒。她會去主動結合各方的需求和長處,結合高校的研究方向和企業的需要,做到知己知彼,量體裁衣,有的放矢。胡金蓮團隊的表現獲得了寶潔、英威達(原杜邦纖維)、中國染廠等國內外大企業的持續信任。在過去30年里,胡金蓮帶領團隊與工業界合作了40余個項目,資金超過1億港元,戰勝的競爭對手中不乏美國麻省理工學院、德國國家實驗室和日本大學這些國際知名團隊。
自2021年起,胡金蓮與科勁國際(King's Flair)合作,再次領導一條龍式研發紡織服裝納米材料電紡膜,利用根植于香港亞洲最大的無針電紡,最先進的納米纖維生產設施,一系列開發出4個項目,產生多個專利,從而助力科勁國際成為香港特別行政區政府最強的合作伙伴之一,入駐“香港先進制造業中心”。
科創跟其他行業最不同的地方就是前進中的不確定性。所以,產業化的道路上并非只有掌聲、風光和成功,也充滿了泥濘、艱難和挫折。這期間工業伙伴的理解、支持和耐心,對項目的成功及對她個人的成長至關重要。胡金蓮覺得自己非常幸運,可以得到像前中國染廠主席查濟民老先生和現在香港上市公司科勁國際主席黃曉華先生的大力支持、理解和信任。“他們的高瞻遠矚,他們的嚴謹認真,他們魄力和能力,他們對科創的熱誠,都是我前進的力量和成功的支柱。中國要有勤懇創新的科學家,更要有支持創新的企業家和工業領袖。”胡金蓮認為是他們鋪就了自己科創成功的路。
團隊之光
跨界、交叉融合、產業化……一路走來,從最初的不解、質疑,甚至于爭議,到現在大家對于新模式的接受、認可和協同合作,過程來之不易。胡金蓮非常欣慰和自豪擁有著一支跨越行業甚至跨越系統的“大團隊”,這支團結一致、勇于創新的隊伍在一步一個臺階地努力前行。
“我作為團隊的帶頭人可以設計很多路線,但是要把想法變為方案,光靠我一個人肯定是不可能的,這需要團隊成員協同完成。正是有了這樣一支有戰斗力的團隊,可以讓我們從不同的角度進行深入的工作。也正因如此,在過去的幾年中,我們能夠連續不斷地解決各種問題,推出新的成果。”同時,胡金蓮也很感激得到了香港城市大學的充分支持,“城大給我們提供了一個非常好的平臺,周圍同事的研究背景各不相同,有各個不同領域的專家,所以多學科的交流與融合就更加方便,可以碰撞出更多的合作火花。”
在香港這座開放之都的國際舞臺上,胡金蓮找到了很多志同道合的合作者,組建團隊、搭建平臺、合作項目、拓展領域、尋求共贏。胡金蓮的學生們自然也是她的“合作者”,她對青年人才的培養不遺余力。“其實每個人都有自己的特點和長處,每個人都能做好自己,把自身的強項發揮到極致,發揮到最大,就是對團隊最大的貢獻。我在年輕人身上也學到了很多東西,正所謂教學相長嘛。”胡金蓮謙遜言道。
胡金蓮強調,做她的學生知識面要廣、動手能力要強,解決實際問題是硬道理。真才實學必須經歷長期的積累,所以,她堅持認為,作為導師僅僅傳授知識是不夠的,更重要的是要教會學生把握立身之本,建立科學的思維方式,培養他們獨立分析問題和解決問題的能力。
胡金蓮常常告誡年輕人,材料作為一種媒介,可以和任何行業相結合,大有用武之地。如果做基礎研究,就要理解深刻,做到前沿。如果是做產品,就要做到落地,要深入一線,和用戶緊密結合,了解應用需求。幾年過去了,胡金蓮帶領快速成長的團隊,駛入了科研高速路。對待團隊成員,她展現出特有的親和與坦誠。她明白作為一個團隊的核心,想要獲取凝聚力,不僅在于本身的學識如何,更重要的是在品格上讓人信服。或許是在海外多年熏陶的緣故,胡金蓮的團隊管理模式很“open(開放)”,盡力創造一種自由的氛圍和空間,使大家在一種“快樂工作”的團隊氣氛中能充分發掘出每一個人的潛能,激發出更大的創造力。
這些年來,胡金蓮帶著團隊一路風雨兼程,她的努力和付出也得到了世界同行的認可與尊重,與紡織技術和材料相關的各大獎項紛至沓來。2023年,鑒于她在紡織和生物醫學應用形狀記憶聚合物和纖維方面的杰出成果,為生物材料、醫療器械、能源療法、數字醫學、智能聚合物、纖維、紡織品和服裝的基礎與應用研究作出的重大貢獻,胡金蓮當選為2022年度美國國家發明家科學院院士。不久前,在中國工程界的高規格獎項之一、用以表彰在工程科學技術及工程管理領域作出重要貢獻人物的第十五屆“光華工程科技獎”的評選中,胡金蓮又一次榜上有名。面對各種榮譽和獎勵,她保持著足夠的冷靜:“獲獎固然是值得紀念的一件事,但是獲獎的成就感和滿足度,并不如我們具體解決了某一個技術難題,或者完成了一項迫切的產業需求更大一些。”
盡管已經功成名就,但是胡金蓮依然追求著對每一個細節的精益求精。她說,科學領域有很多東西,你知道得越多,就會發現你不知道的更多,就會鞭策著你繼續挖掘自己的潛能。無論是科研,還是創業,都不是固定寫好的劇本,而是要靠人勇敢地去探索未知的世界,不斷地突破和大膽創新。“都說科技改變生活,改變生活的不僅僅是那些火箭上天、潛艇下海的重科技,就像紡織品、紡織材料上一個小技術的創新,同樣可以讓百姓的生活變得更加美好。”談及未來,胡金蓮充滿了期待,“科學的魅力不就在于此嘛!”
專家簡介
胡金蓮,香港城市大學生物工程系講座教授、博士生導師,美國國家發明科學院院士,英國皇家化學會、英國紡織學會及香港紡織及成衣學會會士,香港發明創新總會會長及粵港澳大灣區發明創新協會的常務副主席,桑麻科技獎(中國)和美國纖維學會杰出成就獎獲得者。長期致力于智能聚合物/纖維/紡織材料、蜘蛛絲和仿生學、生物材料和可穿戴設備等領域的研究,是形狀記憶高分子材料在纖維、紡織服裝和醫療方面應用研究的先驅,斯坦福大學排名前2%的科學家,實際排名前0.07%,是全球紡織行業學者的領航人,具有全球影響力。
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