呂堅院士：爲什麼說未來的汽車像變形金剛
出品|《新基建訪談》No.43
採訪|丁廣勝
整理|園園
隨着新能源車的快速發展，車輛減重、提高安全性及降低成本都是發展制勝的關鍵，製造廉價高強塑性鋼材成爲重中之重。
基於對材料科學發展的現狀、製造廉價高強塑性鋼材的技術突破、未來材料科學的發展方向等議題，《新基建訪談》與香港城市大學先進結構材料研究中心主任、香港工程科學院院士、法國國家技術科學院院士、光華工程科技獎得主、結構納米材料領域專家、世界新能源汽車大會科技委員會委員呂堅進行了一次深度交流。
材料是人類文明發展的基石，現在我們已經進入納米和信息材料時代。
呂堅院士認爲，中國現在缺少的是最高端的材料的製造。他說：“現在看來，有些關鍵材料很容易被卡脖子，中國作爲一個材料使用大國，應該在絕大多數的關鍵材料裡能夠自己供給一部分來打破這些封鎖。”
在談到製造廉價高強塑性鋼材時，呂堅院士表示：金屬材料相對來說比較環保，而且價格較便宜。以現在的趨勢來說，最主要的新能源車材料是鋁和鋼。鋁和鋼的競爭一直都是此消彼長，現在科學家做出越來越多的超高強度的鋼，這些超高強度的鋼可以代替鋁。
TESLA最新的不鏽鋼車身的Cybertruck就是新能源車未來發展的趨勢之一。
此外，3D打印爲汽車輕量化或者結構輕量化，帶來了全新的機遇，因爲通過它可以進一步的減重。
從能源角度來講，減重和減風阻是汽車節能的兩大部分，呂堅院士說：“未來，我們希望把汽車做成像變形金剛一樣的多穩態結構，很多關鍵部分都可以改變形狀，隨着汽車的速度改變車型，可以降低汽車的風阻。”
同時，他表示未來如何有效地利用可循環能源—太陽能、風能，甚至海洋能源，也是值得研究的課題。
在採訪的最後，呂堅院士也爲年輕人提出了一些建議和寄語，“從技術角度來講，改革開放以後中國在全球是最開放的國家，機會越來越多。所以關鍵是要選擇做自己喜歡事情，現在是年輕人大展宏圖的時代，而不是躺平的時代。”
以下爲專訪呂堅院士的精選摘要：
問：您是先進材料方面的專家，請您宏觀的講講目前材料科學發展的現狀，以及目前學界和產業界主要的方向和瓶頸？
呂堅：材料是人類文明發展的基石，每一個時代都有不同的材料。從石器時代到青銅器時代，再到鐵器時代，然後到半導體高分子材料時代，現在我們進入了納米和信息材料時代。這些都是材料的發展對人類文明貢獻的里程碑。那麼現在有成千上萬種材料，從總體來講它是我們發展新的技術的最基礎的東西。從現狀來講，中國已經是大部分材料消耗最多的國家。從生產角度來看，中國絕大部分材料也是生產量最大的。
那中國缺少什麼呢？缺少的是最高端的材料，以前我們認爲自由貿易可以讓大家有很好的分工，這樣的話我們就沒有必要做所有的材料，但現在看來，有些關鍵材料很容易被卡脖子，所以，中國應該投入更大的力量和資金，把這些卡脖子的材料，最起碼能製造。其實從歷史上來看，中國每次把卡脖子材料製造出來，那個材料的價錢就降下來了。因爲競爭對手也想做生意，只是以前他獨家的時候就賣貴一點兒，這也是可以理解的，他們花了大量的時間和金錢研發，開始的時候要價高一點沒有問題。但有些國家根據一些協議把你給卡了，那麼這就是一個大問題，沒有真正的自由貿易，所以中國作爲一個材料使用大國，應該在絕大多數的關鍵材料裡能夠自己供給一部分來打破這些封鎖。
問：隨着新能源車的快速發展，汽車減重、提高安全性及降低成本都是發展制勝的關鍵，製造廉價高強塑性鋼材成爲重中之重，您的團隊在這方面建樹頗豐， 請幫我們科普一下這方面的技術突破？
呂堅：像環氧樹脂這種強度比較高的高分子材料，是不能再重新使用的，這是一個比較大的問題。而鋁合金、鐵都是可以熔掉以後再重新煉，所以金屬材料，反而相對來說比較環保，而且價格較便宜。因此，以現在的趨勢來說，最主要的新能源車材料是鋁和鋼。前一陣子是鋁合金，現在由於鋼鐵的價格比較便宜，而且科學家做出來越來越多的超高強度的鋼，那麼這些超高強度的鋼可以代替鋁。鋁和鋼的競爭一直都是此消彼長。但是總的趨勢就是要發展高強高韌的鋼材料或者是鋁材料。
鎂基材料是另外一個可選材料，但鎂的強度比較低且抗腐蝕能力比較差，在解決這兩個問題之前，鎂只能用在內飾或者車輪等少數有限的結構裡，而車體最重的部分，防撞的結構、車身等，現在總的趨勢還是鋁合金和鋼鐵。
另外，特斯拉的皮卡是用不鏽鋼來做的，甚至火箭都是用不鏽鋼做的。不鏽鋼的好處就是顏色—金屬色，很多地方不用刷漆。一般來講減重的話都用更輕的材料，那麼鋼的比重是7.8左右，但實際上不鏽鋼做好的話從單位重量的強度來比較是完全可以達到很多的鋁材。
問：成本又要低，鋼性又要強，您在實驗室是怎樣做到的？
呂堅：鋼是一個很神奇的材料，它可以做很多有意思的成分設計，不同的設計會產生不同的效益，比如說納米析出，或者其他更復雜的相變的結構。鋁的變數相對少，所以它其實最近幾年發展的並沒有那麼快。
現在又出了一些新的技術，包括3D打印，3D打印爲汽車輕量化或者結構輕量化，帶來了非常全新的技術，因爲通過3D打印，設計師可以完全得到非常好的發揮，可以進一步的減重。我們最近做了一個結構，它長得就像梵蒂岡萬神殿拱頂的結構，它在承重的時候會旋轉，所以如果把這個放到汽車碰撞的設計結構裡，那有可能可以進一步的減重。
問：電池的安全也是一個重大的課題。
呂堅：電池由於碰撞的時候擠壓會導致一些安全性的問題，我們最近也做了一個設計，這個設計可以用鋼代替鈦合金。比如像特斯拉現在車底下有一塊鈦板。是因爲有一次碰撞事故中，路上的石頭把底盤底下給打穿了，打穿了以後就引起事故，後來就加了一塊鈦板。鈦板的價格是很高的，我們發現鈦板是有機會用鋼板代替的。
問：我們發現傳統汽車和新能源汽車都有碰撞實驗，您覺得碰撞摧毀程度的不同主要是材料導致的嗎？還是整個設計的原因？
呂堅：它是整個設計加材料，設計理論上是包括材料的，比如說有的車是用高強度鋼做的，它的優勢就是可以在單位重量裡吸收很多的能量，它的劣勢就是如果強度特別高的話，那麼撞車的時候就跟撞牆一樣，它的減速度特別高。實際上，保險槓後面有一些吸能結構，這個東西叫吸能盒crash box。crash box實際上是兩個參數，吸能和減速度。撞車的時候看起來撞的很爛，實際上這就是吸能的過程。一個車碰撞後不爛，像牆似的，其實減速度非常高，這樣的話會容易造成汽車內人員的腦傷亡，甚至腦死亡。
問：剛纔提到，您有30年研究汽車領域方面的經驗，在能源方向您也有一定研究。可以從制氫和電池這些角度談一下目前主要在做哪些事情？
呂堅：首先從能源角度來講，汽車可以分爲兩個部分。一部分是節能，減重就是節能的一部分。第二部分就是減風阻—因爲汽車在行駛的時候有空氣阻力。到現在爲止汽車的形狀是不變的，所以它的空氣阻力是在一定速度下是優化的。一般來講，車比耗油量一般按每90公里/小時速度下的百公里油耗來進行對比。但實際上，隨着車速不同，不同車（不同的幾何形狀）的風阻是不一樣的。未來的車我覺得是幾何可變的車—不同的速度，它的整體是可變的。我們現在希望可以做成像變形金剛一樣的多穩態結構。比如說未來汽車的很多關鍵部分都可以改變它的形狀，那麼隨着它速度的改變，可以改變它的風阻。這個想法變得越來越有可能，因爲在傳統汽車裡，能源比較集中—在馬達那裡，但是在新能源車裡到處都可以放電池。這個就是新能源車的優勢。這個是我們現在研究的一個技術，叫變形金剛，變形金剛可以來調節車的風阻，來進一步的降低能耗。總結來說，從耗能的角度，除了減重還可以改變它的空氣動力學性能—通過變形金剛結構來做這件事情。
從電池的角度，現在全世界，特別是中國做了很多。我們香港城市大學有很多同事做不同材料，比如說鋅金屬加上空氣，或者鋰電池，鋅電池，各種各類的電池。總體來講，它的進展是緩慢的，趕不上新能源車的增長速度。因爲它有制約條件，那就是價錢，高性能但價錢貴了很多，所以還是相對來說比較困難的。但是在中國大規模的製造下，電池本身的價格降了很多，降的速度也很快，但整體效率提高的並不是特別多。另外，就是燃料電池或者是氫能源，那麼氫能源也是兩部分，一部分是制氫的效率提高，第二部分就是釋放的時候效率提高。我們國家貴金屬材料工程技術研究中心香港分中心做了很多新型的催化劑，使得我們的產氫的效率更高。我認爲未來最主要的是儲氫和氫的釋放。
問：我們之前看過很多您在制氫方面的一些成果和報道，在氫能源的利用這一塊，目前來看，大家都認爲成本居高不下，如果到達民用普及的話會怎麼辦？您覺得，它是需要更多的基礎研究還是需要更多的應用方面去做突破？
呂堅：更多的是應用，但是都要做。比如提高電解制氫的效率，把它的價格降下來，就可以有更便宜的燃料。當然最理想的是離散性的產生氫，未來如果可以直接用太陽能制氫，那就有可能普及。還有，內蒙古、新疆有很多風能，這些風能現在併網是比較困難的問題，中間浪費了很多采集的能量，甚至是電，那麼能不能把這個有效的利用起來，然後產生各種氫能源，直接變成分散式，然後再用分散式的形式消耗了，這可能也是一個未來可以研究的方向。
現在的電都是直接從電廠裡出來的，中國現在發電主要還是火力發電，火力發電主要靠煤，燒煤放出來很多二氧化碳，影響氣候變暖。所以如何能夠有效的利用可循環能源，就是太陽能、風能，甚至海洋裡的很多能源，海洋是最大的太陽能儲存池，那麼如果以後能夠有效的利用海洋裡的溫差，那就是無窮無盡的能源。
問：關於氫，我們現在聽到一種聲音就是它雖然是需要做更多的應用的開拓，但更重要的是需要有一個諾獎級別的基礎研究來進行突破，您是怎麼理解？
呂堅：這個當然理論上是有可能的，因爲如果發明出轉換的價格低的催化劑，效率又特別高，這個是完全有可能的。這兩個都是有可能突破的。還有就是儲氫，現在都是用罐儲存的，如果未來發明固體儲氫，那體積就可以降下來。還有就是氫氣的提純的問題，化工產出的氫有一些其他的元素。
問：那您覺得未來5~10年這幾種不同材料的發展，誰會逐漸的成爲毫無疑問的主流，您覺得哪種更有機會？
呂堅：如果沒有特殊的突破，按照現在的發展趨勢，肯定是普通的電池佔主流。在普通的電池裡，至於是鋰電池佔主流還是其他的，比如說我剛纔說的，鋅加空氣或者鋰加空氣，這都有可能。因爲現在的生產設備的容量已經大幅度增加上去，我想未來五年還是鋰電池爲主。10年的預測有點太長，因爲現在變化是非常大的，可以說是革命性的變化，一般都是不可以預測的，只能說按照現在的發展趨勢。
問：我們看到國內的很多廠商在磷酸鐵鋰電池方面做一些突破。
呂堅：磷酸鐵鋰的話，第一，像鋰電池資源受限，因爲中國的鋰不是很多。所以很多的進口，進口的話等於是受制於人。如果能夠減重的話，就可以放更多的電池，現在是1:1，那完全在未來可能是1:2。這樣就可以讓電池的效率並不要求那麼高，可以降低價格。
問：我們看到您在做很多關於從環境的角度、碳中和角度的工作，您從中有哪些心得？
呂堅：首先我自己做的研究，最主要的就是拓撲優化還有結構減重，我主要是做金屬材料的，我們在2017年的時候就發展出來一種新類型的材料，我們叫超納雙相。這個工作就在發表在《自然》雜誌的封面文章，也是中國科學家首次在結構材料領域發表在《自然》雜誌的封面文章。最主要的是我們發現了一種新的結構，以前的材料一般來講就是晶體材料或非晶材料，那麼我們這種設計可以做出來超小的納米晶和非晶材料混合，我們發現這個材料它的功能性有可能更好，功能性能力裡就包括催化劑。由於我們做的這類材料本身有這方面的潛力，所以我纔開始做更多的跟碳中和相關的研究，並不是追時髦。
第二就是我們2015年底也組建了國家貴金屬材料工程技術研究中心，在未來的兩三年裡還會有更多更好的結果出來，現在我們看到初步的眉頭，我們在這個領域發表論文的速度在加快。
我們作爲大學主要還是做基礎研究，但是大學也有社會責任，我們希望能夠對社會有所貢獻，像我們香港城市大學也是香港獲批美國專利最多的學校，已經連續五年獲得美國專利最多。這些專利，需要通過轉化，變成社會的價值，對社會有貢獻。未來的幾年我會越來越重視這方面的工作，讓我們的這些文章也好，知識產權也好，通過技術轉移讓一些公司來產業化，通過產業化來對社會做更大的貢獻。
問：不僅在研究和應用方面，您更是教育界的專家。從科技發展，科學進步的角度，您對現在的年輕人或者年輕的研究者有哪些建議和寄語？
呂堅：現在中國或者世界處於一個很好的時代，對比我們年輕的時候機會要多很多，雖然競爭越來越大，但實際上機會越來越多。現在經常聽說年輕人要躺平，其實不需要。現在因爲選擇多了，所以纔會迷惑，以前沒有選擇，只能做一件事。關鍵就是要選擇自己喜歡做的事情，做基礎研究也好，應用研究也好，社會工作也好，我想最主要的就是做自己真心喜歡的工作，不一定是掙錢最多的。因爲50年前每個人的選擇是跟溫飽有關係，現在溫飽問題已經解決了，那麼我希望年輕人按照自己的理想來做事情。
我想說的是，現在是非常好的時機，中國培養了越來越多的大學生，資金越來越充足，技術成分也有提高，現在是年輕人大展宏圖的時代，而不該是躺平的時代。
中國自從40多年前改革開放以後，從技術角度來講在全球是最開放的國家。再加上我們是培養理工科學生最多的國家，所以我們有能力吸收全世界最好的技術和方法，把它轉換成生產力轉換成財富。