弹簧秤你见过吗？

它曾经是菜市场里的标配：一捆青菜，秤钩一勾，几斤几两清清楚楚。

后来有了更先进的电子秤，它才渐渐淡出视野，偶尔在街头小贩那里还能见到。

但这把早已“淘汰”的弹簧秤，却被西湖大学一名博士生玩出了新花样：他做了一把“超级弹簧秤”，可以称出40皮牛的重量。

40皮牛是什么概念？

1千克对应9.8牛顿，1牛顿的百万分之一为1微牛，1微牛的百万分之一为1皮牛。

给一个更直观的对比：一厘米头发丝的质量为0.1毫克，约重1微牛。40皮牛，仅为发丝重量的万分之一，是红细胞重量的1/10。

宏观弹簧秤（左）VS微观“超级弹簧秤”（右）

这把“超级弹簧秤”怎么做出来的？

我们找到了“玩家”尚兴港，西湖大学工学院仇旻实验室与周南嘉实验室联合培养的2019级博士生。

PART.01

寻找“超级弹簧”

让我们先来解构一把弹簧秤：弹簧、指针、刻度盘，外加一个砝码，用来校准精度。

其中，弹簧是核心部件。通过改变弹簧那根螺旋线的半径、粗细，弹簧的力学性能会随之发生变化，可以满足不同场景中对测量范围的不同需求。

听起来很简单，但在微小力面前，宏观尺度上的一切构件都成了摆设。你能想象秤钩如何去勾住一根头发丝吗？而怎样的弹簧才会被头发丝的重量拉伸、变形？

所有的尺度都要缩小、再缩小，直至肉眼看不见。

但这对尚兴港来说，这并不难。

他所在的仇旻实验室，另一个名称叫“纳米光子学与仪器技术实验室”，主要研究方向为“微纳光子学”，顾名思义，就是在“微米、纳米”尺度上做研究。

所以，头发丝对他们来说不算“小”。这个实验室曾经在仅有头发丝八分之一粗细的光纤末端完成“冰雕”。

弹簧的材质是树脂，一种比较常用的微纳3D打印材料。而3D打印，又恰是周南嘉实验室的所长。此前，他们以研发新材料作为 3D 打印精度极限的突破口，实现了百纳米至微米级别的超高精度多材料功能3D 打印技术。

尚兴港的核心任务，就是要从宏观弹簧，迁移到如何设计一个微纳尺度的弹簧上。

挑战来自于如何实现弹簧性能最优。目前常用的加工手段，无法保证弹簧结构的稳定。

尚兴港解释说：“越细微的结构，越难保持稳定——这就像女孩子穿的高跟鞋，由于鞋跟纤细，比平底鞋更容易坏，且鞋跟越细，坏的可能性越大，这是生活里、宏观尺度中大家比较熟悉的例子。为了使微观尺度的弹簧秤灵敏度进一步提高，我们需要把螺旋线做的尽可能细一些；但‘代价’就是，细小结构在受到外力干扰时，更容易变形失效。”

事实上，尚兴港并不是第一个做微型弹簧的，此前也有其他科研团队尝试过一系列的探索工作。但背靠两大领域内最顶尖的实验室，他有底气做出“最优解”。

他们决定使用双光子聚合这一3D打印方法制备弹簧结构，通俗地讲，是光在三维空间中，在树脂材料上一点点进行“雕刻”，最终成型3D弹簧结构。

一切都在显微镜下完成。超净间里不能喝水、不能带食物、也没有厕所，每一次进出都需要像新冠时期的医护人员一样，把自己从头到脚包裹得严严实实。

尚兴港以极大的耐心坚持了整整一年半，在导师们的协助下，不断优化加工工艺，终于做出了微纳尺度最灵敏的弹簧，“比已报道的结果高出了四个数量级！”

PART.02

以光纤为“指针”

做出了3D微纳弹簧，并把它设定为微观世界里的“秤”的关键力学元件，下一个问题来了：如何精确获取到弹簧受力后的微小形变？换句话说，秤所受到的力的大小，如何转换为可读取的指标？

为了寻找答案，尚兴港及其导师们的视线又转回到了菜市场的弹簧秤上。

“我们对菜称重时，弹簧被拉伸，它连带的机械系统会使表盘上的指针发生偏转，配合弹簧秤的刻度盘，我们就可以准确读出买了几斤几两的菜。”

于是，这个新问题就转换为：微纳尺度“弹簧秤”的“指针”和“刻度盘”，会是谁呢？

“用光吧。我们试试光纤怎么样？”仇旻给出建议。

在仇旻实验室看来，光不只能照亮世界，它还是能感知世界的、富有潜力的重要抓手。而在光学领域，光纤材料作为一种特殊基底，在微纳传感、成像中，具有柔性、全光调制、抗电磁干扰等突出优点；它在我们身边也非常常见，已被连接至千家万户的“网线”，正是其应用场景之一。

弹簧光纤微力传感器原理

尚兴港尝试把弹簧“安装”制备在光纤端面，这个端面只有头发丝八分之一粗细。这个装置自然形成了干涉微腔的现象：这指的是特定“颜色”的光，在历经干涉相长或干涉相消，会产生“峰谷”型的光谱。生活中，肥皂泡所产生的漂亮颜色、水面上的条纹，也都是源于“干涉”这一物理现象。

干涉产生的结构色（图源：知乎）及水波纹（图源：sina）

当与光纤“连接”的弹簧发生形变——可以想象为微观尺度的那个弹簧被拉扯了一下，显然，原有的光谱就会随之产生飘移。实验上，通过分析光谱的漂移量，借助结构压缩量这一中间值，即可得到结构受力的大小。

于是，指针和刻度盘，也有了。

PART.03

砝码来了

对比弹簧秤，最后一步的难题是，怎么知道这把“秤”是精准的呢？宏观弹簧秤可以使用标准砝码进行校准，去哪里找微观尺度的砝码？

一阵头脑风暴之后，尚兴港他们选择使用微米大小的二氧化硅小球作为标定物体。把微纳弹簧类比于宏观弹簧秤，微米小球就扮演了宏观尺度中砝码的角色。

在测试中，他们将不同粒径、不同重量的小球交给这把“弹簧秤”来称，由此得到了弹簧的力曲线。

经过分析，他们进一步获得了该器件的灵敏度和探测极限。配合高精度光谱仪，结果显示，这件弹簧基光纤传感器的灵敏度和探测极限分别为0.436 nm/nN和40.0 pN。我们已经知道了，40皮牛，是发丝重量的万分之一，也是红细胞重量的1/10。

设想中的“超级弹簧秤”，终于组装完成了。但尚兴港又多加了一颗“砝码”。

为了进一步验证这把“秤”的实际性能，尚兴港求教于工学院范迪夏实验室，范迪夏是流体力学专家，2022年全职加入西湖，建立了“流体智能与信息化实验室”。尚兴港想把“秤”应用于微米尺度的微小气流力检测——探测非线性气流压力；你可以想象为“捕捉”微观尺度上的“风”。

得益于皮牛级的精度，他们在实验中探测到了气流力随气压的非线性变化趋势。循环往复改变气压的过程中，同一气压下测得光谱的一致性良好，光谱波谷位置几乎相同，体现了这把“超级弹簧秤”出色的稳定性和可重复性。

气流力传感

PART.04

“40皮牛”的意义

开云app官网下载安卓 的终极目的是认识世界，进而改变世界。有趣的实验，不仅仅止步于“有趣”。

在微观世界这个“菜市场”里，有大量的“黄瓜、西红柿、土豆”，等待着这把“超弹簧秤”大显身手。

比如“光压”[1]。当暖洋洋的阳光洒在我们身上时，有极微弱压力的作用；当彗星划过天空，会产生“俏皮灵动”的长尾巴形态。这些现象都与光的微弱力相关。

再如，洗手池排水槽里回旋滚动的水流，超音速飞机的音爆轰鸣声等现象，都是生活中司空见惯的“湍流”[2]现象，它们也是微弱力作用下的景象。

复杂应力场导致的有趣物理现象——彗星拖尾和复杂气流（图源：sina）

此前，大多常见的力学传感器只能做到亚微牛到纳牛级精度，无法对细微的物理过程（例如细胞质量检测（~pN）、光力（~100 pN）、气流力（~nN）等）进行精确探测。而获取数据精度的不足，会掩盖非线性物理过程的细微之处，导致对微观现象的错误解读。

因此，微观力学传感器精度的提升，有望极大提升这一类器件的可靠性，并拓展它们的应用范围。

同时，得益于光纤的柔性，该系统可以为原位血压检测、呼吸监控等多种重要医疗应用场景提供新思路。

再“大胆”一点，试试给细胞称个重如何？细胞的重量与人体的健康息息相关，却一直却缺乏适宜的科学测量手段。有了这件能在微观空间上大展拳脚的力学“新武器”，尚兴港畅想道，“说不定哪天科学家真的能把细胞干重准确测出来”。

当然，最令他感兴趣的，依然是在基础研究的探索上。欲善其功，必利其器。尚兴港说：“我们希望用这件传感器去测量多样的物理化学过程，特别是物理过程，从分子作用到天体运动，相信一定会‘称’出意外的惊喜，打开一个我们从未知晓的世界。”

“超级弹簧秤”近景

论文原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202305121

本文参考文献：

[1]https://m.thepaper.cn/baijiahao_11711587

[2]https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1753895