逆天丨4天内两次当选院士，这位华人科学家成为六院院士！

小奇

2020-04-29

美国时间2020年4月27日，美国科学院宣布选举120名新成员和26名外籍院士，以表彰他们持续的原创性研究。

此次新增选美国科学院院士中，中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风院士成功当选美国科学院外籍院士，6位华人教授当选美国科学院院士，分别为HowardChang、程亦凡（Yifan Cheng）、黄永刚（YonggangHuang）、华泰立（Terence Hwa）、 曹颖（DorisY. Tsao）和杨丽笙（Lai-Sang Young）

其中，值得注意的是，就在4天前，4月23日，黄永刚教授当选了美国艺术与科学院院士。另外，他还是欧洲科学与艺术院院士（2010），美国国家工程院院士（2017）、欧洲科学院院士（2017）、中国科学院外籍院士（2017），成为名副其实的六院院士！

以下，奇物论编辑部针对黄永刚教授的代表性成果（Nature、Science）进行归纳总结，供大家学习和交流：（注：由于学识有限，如有表述不当和错选或漏选，欢迎批评指正）

1. Science:可拉伸形式的单晶硅，用于橡胶基材上的高性能电子产品

制造了一种可拉伸形式的硅，由亚微米单晶元素组成，这些元素结构成具有微尺度，周期性，波状几何形状的形状。当由弹性体基材支撑时，这种“波状”硅可以可逆地拉伸和压缩到较大的应变水平，而不会损坏硅。波的幅度和周期变化以适应这些变形，从而避免硅本身的显著应变。直接与硅集成的电介质，掺杂剂图案，电极和其他元素产生完全成型的高性能“波状”金属氧化物半导体场效应晶体管，p-n二极管和其他可用于电子电路的器件拉伸或压缩到同样大的应变水平。

Khanget al., “A stretchable form of single crystal silicon for high performanceelectronics on rubber substrates,” Science, v 311, pp 208-212, 2006.

DOI:10.1126/science.1121401

https://science.sciencemag.org/content/311/5758/208

2. Science:可拉伸和可折叠硅集成电路

已经使用导电有机材料开发了柔性电子产品，但是它们的性能比无机材料差很多。John A. Rogers和黄永刚等人已经开发出一种将硅的纳米带与塑料或橡胶状薄基材结合在一起的方法，可以在不牺牲电子性能的情况下创建坚固，灵活且可弯曲的电子产品。其设计的关键特征是，电子设备层位于中性弯曲平面中，即使整个设备非常弯曲，该弯曲平面也几乎不会受到应变。

Kimet al., "Stretchable and foldable silicon integrated circuits,"Science, v 320, pp 507-511, 2008

DOI:10.1126/science.1154367

https://science.sciencemag.org/content/320/5875/507

3. Nature：基于可压缩硅光电的半球形电子眼摄像机

人眼是出色的成像设备，具有许多吸引人的设计特征。其中最突出的是半球形检测器几何形状，类似于许多其他生物系统中发现的几何形状，它利用简单，少成分的成像光学元件就可以实现宽视场和低像差。由于已经存在用于制造这样的系统的图案化，沉积，蚀刻，材料生长和掺杂方法的固有平面性质，因此使用已建立的光电技术极其难以实现这种类型的配置。于此，John A. Rogers和黄永刚等人报道了避免这些限制的策略，并将其实现以产生基于单晶硅的高性能半球形电子眼摄像机。

该方法使用以不寻常的二维可压缩构造形成的晶圆级光电器件，以及能够将最初用于制造该系统的平面布局转换成半球形几何形状以最终实现的弹性传递元件。从一般意义上讲，这些方法与对其相关力学的理论分析相结合，为将发达的平面设备技术集成到复杂曲线物体的表面上提供了实用的途径，适用于传统手段无法解决的各种应用。

Koet al., "A hemispherical electronic eye camera based on compressiblesilicon optoelectronics," Nature, v 454, pp 748-753, 2008

https://doi.org/10.1038/nature07113

4. Science：传感器、电路和无线电的软微流控组件用于皮肤

微电子技术的进步已经产生了高质量的器件，可以进行密集的信号收集或传输。John A. Rogers和黄永刚等人展示了如何制造一种类似于可拉伸电路板的软穿戴系统，其中电子元件通过漂浮在高粘弹性聚合物中的薄而曲折的导电迹线电桥接。建立了一个能够在皮肤上进行多信号生理传感的完整软电路，可用于健康监测或新生儿护理。

Xuet al., “Soft microfluidic assemblies of sensors, circuits and radios for theskin,” Science, v 344, pp 70-74, 2014.

DOI:10.1126/science.1250169

https://science.sciencemag.org/content/344/6179/70

5. Science：将材料和设备从2D弹出到3D

弯曲的，薄的，柔性的复杂三维（3D）结构可能很难在小规模的规模上制造。John A. Rogers、Yihui Zhang和黄永刚等人开发了一种巧妙的设计策略，用于复杂几何3D介观结构的微细加工，这种构想源自原始平面结构布局的平面外屈曲。力学上的有限元分析使设计两个2D图案成为可能，然后将其在多个点附着到先前应变的基板上。基板的松弛导致图案化材料屈服和弯曲，从而产生其3D形状。

Xuet al., “Assembly of micro/nanomaterials into complex, three-dimensionalarchitectures by compressive buckling,” Science, v 347, pp 154-159, 2015.

DOI:10.1126/science.1260960

https://science.sciencemag.org/content/347/6218/154

6. Nature：皮肤集成的无线触觉界面，用于VR和AR

美国西北大学黄永刚院士和John A·Rogers院士等人首次实现将复杂的触摸感融合到VR和AR中。他们发展了一种无线，无电池的电子系统平台和触觉界面，能够轻柔地层压在皮肤的曲面上，以通过时空可编程的局部机械振动模式来传递信息。触觉致动器通过无线供电和控制，以及能压层贴合任何类型皮肤，使其具有低耗能和安全便捷性。

Yu,X., et al. Skin-integrated wireless haptic interfacesfor virtual and augmentedreality. Nature 2019，575, 473–479.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1687-0

另外，以下为黄永刚教授作为共同作者发表的Nature、Science。

黄永刚院士简介：

黄永刚，固体力学家。现任美国西北大学冠名讲席教授、欧洲科学与艺术院院士（2010），美国国家工程院院士（2017）、美国国家科学院院士（2020）、美国艺术与科学院院士（2020）、欧洲科学院院士（2017）、中国科学院外籍院士（2017）。

黄永刚研究材料和电子器件的力学行为，主要科技成就包括:

1) 开创了可延展无机电子器件领域：可延展电子器件能更好适应下一代电子产品便携性、形状可变性、人体适用性等需求，在健康医疗、军事国防等领域有战略性应用，是现代信息领域革新性发展方向。无机微电子材料虽可突破有机半导体材料性能瓶颈，但受变形易损和刚性基底制备的限制，使其可延展化极具挑战。他基于力学原理原创出可延展无机电子器件的分形互联导线、硅应变隔离设计等新概念，创立定量化设计理论和制备方法，使功能无机材料在器件大变形时保持很小应变，实现超过300%的器件延展率，极大拓展了器件应用范围，开辟出电子眼相机、表皮电子等多种全新器件，相关专利被工业界用于研发生产多种柔性健康监测产品。

2) 创立了基于微观机制的应变梯度理论：传统塑性理论无法解释材料硬度在微纳米尺度的变化。他创立基于微观机制的应变梯度理论体系，成功解释纳米压痕实验尺度效应，成为该类实验的技术标准，被来自54个国家几百所大学、研究机构和公司所采用并广泛应用于微纳米力学性能测定。上述成果奠定并拓展了现代力学研究前沿，产生广泛而重要的学术影响。

目前，黄永刚教授出版了2本书和500多篇期刊论文，其中10篇发表在Science杂志上，5篇发表在Nature杂志上。其研究工作被ABC、BBC、Discover等媒体多次报道。自2010年以来所获研究奖项包括ASME颁发的2010年理查兹奖、2013年德鲁克奖章、2016年Nadai奖章以及2019年瑟斯顿讲座奖，此外获得奖项包括2017年工程科学学会普拉格奖章，2018年Bazant奖章，2019年美国土木工程师学会卡门奖章。

参考来源：

黄永刚教授课题组网站：https://www.mccormick.northwestern.edu/research-faculty/directory/profiles/huang-yonggang.html