张需明：行山于微尺度世界

如果从喧嚣繁华的香港印象中跳脱出来，从空中俯瞰会发现，其实广达四分之三的郊野山地，才是“香岛”的本来面貌。“行山”是张需明最为喜欢的一项运动。周末，他常常会把学生从繁重的实验工作中捞出来，边慢走边探讨问题。

香港的山小而平缓，蜿蜒的山径隐于密林，徐徐而上，不久就至山顶。坐在顶上，微微冒汗的身体在海风的吹拂下凉爽下来，饮茶吃食，纵览风景，一切的烦恼烟消云散。亦师亦友，这是属于他们的惬意一刻。

在张需明的眼里，微流控的世界就如这座香岛，小而美，但是承载着他深远的科研梦想。

▲科研工作的间隙，行山是张需明最大的爱好

常年沉浸在应用物理研究世界，张需明在率真的本性上又形成了务实的品德。他越来越渴望将技术成果转化落地，希望学生跟着自己不仅仅是学理论、搞技术、写论文。他期待着的，是他们能够真正投入市场的洪流中去，把科研的理念贯彻到商业，将真正优质的科技产品销售到市场上，造福社会大众。香港理工大学的校训“开物成务，励学利民”正道出他的心思。

在香港理工大学多年，以微流控技术为主攻方向，张需明带领团队已经做出了一个又一个令人惊艳的成果。

比如，将二氧化碳和阳光转化为碳水化合物，为缓解粮食危机、解决二氧化碳排放等率先探出一条路；自主研发微藻快速选育微流控技术，已初步验证和在生物反应器进行规模生产，可用于高级营养品、生物柴油和人造肉的开发；升级版的光催化反应器则成功解决现有消毒工艺中存在的二次污染和致病菌复活的问题，并可降低污水处理工艺的成本；模拟昆虫的复眼结构开发出的轻巧灵敏的曲面人工复眼系统，为安全监控、机器人视觉、自动驾驶、无人机成像、远程医疗等需要大视角、全局视场的应用场景提供关键的技术基础等。

张需明的研究从来不是走老路，每一次的课题，他都力求创新实用、与时俱进。在他看来，科研如行山，每条路在不同时节都有独特的景致，春去秋来，变化万千，百探不厌。

打好基础，持续深造

微型化、集成化和智能化，是现代科技发展的一个重要趋势。

微流控（microfluidics）是一种精确控制和操控微尺度流体，以在微纳米尺度空间中对流体进行操控为主要特征的科学技术，具有将生物、化学等实验室的基本功能，诸如将样品制备、反应、分离和检测等缩微到一个几平方厘米芯片上的能力。其基本特征和最大优势是多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成。作为一门涉及工程学、物理学、化学、微加工和生物工程等领域的交叉学科，微流控对研究者的交叉学科背景有着强烈要求。

张需明的交叉学科背景还要从中国科学技术大学（以下简称“中科大”）读书时说起。

1989年，出身乡村的张需明凭借优异的成绩，从县城中学考入中科大。中科大在精密仪器专业课程的设置上融入了丰富的数学、物理、化学内容。本科5年，张需明在数理化方面打下了深厚的基础，为以后从事交叉学科的研究提供了许多便利。1994年大学毕业前夕，打算攻读硕士学位的张需明面临着两个选择：一是留在中科大；二是接受推荐，前往上海光学机械研究所（以下简称“上海光机所”）。

张需明最终选择了后者。从来没有离开过安徽老家的他，第一次远行去上海，对当时的他来说“如去天边”。但是能够在丰富多姿的大城市中寻求前途，还是令他兴奋不已。

在上海光机所，张需明的导师是王桂英教授，其研究方向是光学工程，主攻X光的全息成像。“王老师对学生有一颗父母心，不管是学习还是生活，她都给了我很多关心。”

由上海光机所起步，张需明走上了光学研究之路。与此同时，在研究所之外，中国的光纤通信正在大规模发展，在传输干线上全面取代电缆。经过国家“六五”“七五”“八五”“九五”计划，中国已建成“八纵八横”干线网，连通全国各省区市，已敷设光缆总长达250万公里。光纤通信已成为中国通信的主要手段，光纤人才紧缺。在此背景之下，1997年7月，硕士毕业后，具有光学背景的张需明作为抢手人才资源被企业高薪聘请。

然而，在企业工作与在研究所从事科研是两回事。工作了大半年，天性自由的张需明意识到，自己还是喜欢学术氛围浓厚、自由度更高的科研工作。也正是这一觉悟，让他坚定了自己要走科学研究之路的信念。于是，他开始准备出国留学。

“正巧，我有一个老师从新加坡国立大学访问回来，告诉我们那边正在大量招收研究生。”此时正值20世纪末，新加坡经济腾飞，被誉为“亚洲四小龙”之一。吸引外来优秀人才是新加坡在国力建设上的重要政策。

然而，人生地不熟，怎么申请新加坡研究生呢？张需明想到了一个“笨办法”。他去图书馆查阅最新的光学期刊，从上边找到新加坡高校的研究论文，论文上会附通讯作者的地址。张需明选了几位不同学校的导师，按照地址分别寄去手写信。

1998年9月的一天，他突然收到了一封来自新加坡国立大学的回信，导师在信中欢迎他前去留学。就这样，办妥手续，一个月后，张需明就踏上了新加坡国土。

▲《科学中国人》封二人物：张需明

低谷之后，崭露头角

1998年10月，张需明来到新加坡国立大学的时候，原本满怀希望是要读博士的。“但是到新加坡的前3个月，我没有拿到明确的课题。实验室的其他老师都在做光学检测，我也不太感兴趣。1999年春节过后，我开始着急起来。当时正好碰到一位从国内过去的老师刘爱群，他在做硅微机械方面的研究，我就跟着一起做。”

事实上，在新加坡国立大学的这段时光，是张需明科研生涯中的低谷阶段。身处异国他乡，实验进展不顺，论文的写作过程异常艰难。2000年1月，刘爱群拿到南洋理工大学的副教授之职离开了新加坡国立大学，张需明更加感到无助。于是，他决定以硕士身份提前毕业，然后转到南洋理工大学去，继续跟着刘爱群读博士。

“我一般在晚上写硕士毕业论文。吃过晚饭回到实验室，七八点钟大部分人都走了，留下我们几个‘夜猫子’。打开电视，听着音乐，我就开始很苦闷地写。有段时间，电视里一直在循环播放周星驰的《大话西游》《九品芝麻官》等电影。埋头写论文的间隙，突然就会被一两句机智的台词击中，哈哈大笑。”

“星爷”电影中小人物的无奈、辛酸和血泪，经过一个艰苦的过程获得胜利或解脱的大结局，在某种程度上令张需明感同身受。难熬的硕士毕业论文就这样在“星爷”的陪伴下，终于还是捱过去了。

刘爱群是一位非常善解人意和负责任的老师，为了缓解张需明的经济压力，先帮他申请了南洋理工大学的助理研究员职位，一年后又帮他申请了攻读在职博士学位的机会。边工作边读博，压力虽大，但是张需明甘之如饴。硕士期间进展不顺的课题，此时也逐渐有了起色，成果不断。张需明第一次真正体会到了科研的乐趣。每每提起这段经历，他都对自己的导师刘爱群感激不已。

在新加坡南洋理工大学期间，也是张需明崭露头角的阶段。在刘爱群老师的用心指导下，张需明主要从事微机电系统的研究。在2003年和2005年，张需明两次获得南洋理工大学工程学院技术展览周金奖。

之后，他更是以突出的成果获得亚洲华尔街日报香港分社颁发的2005年度青年发明家奖（Young Inventor Awards）铜奖、2006年度国家优秀自费留学生奖学金、2006年新加坡工程师协会杰出成就奖（IES Prestigious Engineering Achievement Awards）。相关研究成果多次被《法兰克福汇报》、波分复用解决方案（WDM Solutions）等国际期刊、媒体专题报道和采用。

2005年8月到2007年9月，张需明在南洋理工大学以千禧年博士后身份开展研究。之后，他又成功获得前往美国马里兰大学（大学城）做助理研究员（带教职）的机会。

从偏僻的乡村到县城再到省会合肥，从上海到新加坡再到美国。某种程度上，张需明一步一步的经历是奇幻的，戏剧性十足，像一位误打误撞又聪明的草莽英雄，就如周星驰电影里的那些人物一般。

但是，从另一方面来说，他的经历又是顺理成章的。因为在中国，有许许多多的人都是通过持续地接受教育与勤勉的奋斗来改变自己的命运的。也因此，即使在海外的科研工作做得再风生水起，祖国对张需明来说始终是最具吸引力的地方。

2009年，手握30余篇国际期刊的高水平论文，张需明受邀加入香港理工大学应用物理系，开启了自己的又一段科研征程。

加入理大，致力转化

在寸金寸土的红磡地带，香港理工大学闹中取静，砖红色的楼宇矗立其间，显得遗世独立。工作日，张需明常常会穿梭在几栋楼之间，教课、做实验。

在张需明看来，微流体技术是一门与社会生活联系十分紧密，同时又非常有趣的学科。在神奇的微观世界中，运动于狭窄通道中的微流体，与花洒、水管喷出的乱流不同，它们状态非常稳定，以有组织的平行流沿通道向下流动，其流体和颗粒严格遵循数学上可预测的路径，简直是一大奇迹。

这种广泛存在于大自然中的层流现象，长期以来也激发出无数科研人员的灵感。在现代精密工程和医疗设备设计领域中，微流体技术正发挥着越来越重要的作用。从实际出发做科研，实现科技成果转化，是张需明一直以来的心愿。

面对目前国内外广泛采用的污水处理工艺存在的难以去除对人体有害的生物难降解有机物的问题和紫外光消毒技术缺乏持久性消毒能力的现象，张需明带领团队着手探讨可以与紫外消毒相结合的改进的消毒技术。

在研究中，他们研发出紫外光催化技术。这是一种利用紫外光能驱动的高级氧化技术，既可以去除现有工艺出水中的生物难降解有机物，又可以破坏致病菌的细胞壁，强化紫外杀菌过程，消除紫外杀菌不能持久杀菌和细菌复活的隐患。经过多年探索研究，他们同时解决了上述常用污水处理工艺面临的两大难题。

2013年，中国批准裸藻作为新资源食品，由此开启了微藻庞大市场的快速增长。根据欧洲藻类生物质协会2021年的报告，到2028年微藻产品市场规模将达到18亿美元，年增长率大于10.3%。此外，随着碳排放要求越来越严格，能够大量吸收二氧化碳的微藻养殖也为要实现碳达峰和碳中和的国家提供了一个颇有前景的商业化路径。

针对这些需求，张需明带领团队研发出单细胞微藻育种芯片。这一芯片利用微流控平台形成大规模单细胞微藻阵列，集成流体、温度、光照等微环境控制功能。它可以监测微藻生长及目标产物的含量，进行微藻培养及快速批量筛选，从大量诱导变异微藻源中快速高效选育获得高产藻株，定向生产特色高价值营养成份（如DHA、EPA、油脂、多糖等），并探索出优化培养条件，提高产率，降低成本。

利用微藻选育芯片，可以将一次选育周期从6个月缩减到1个星期，把需要长时间（数年的量级）的培养条件优化缩减至几天的量级，把一个选育周期只能测试一个或少数几个藻种提高到批量筛选几百到几万个藻种，大幅提高获得最优藻种的成功率。目前，张需明带领团队已经开发了第一代芯片，期望进行实际的工业应用和推广。

▲将二氧化碳转化为葡萄糖的研究工作示意图

当前，碳排放问题急需全球性的努力来避免灾难性气候变化。张需明认为，将二氧化碳转化为有价值的、富含能量的材料，是具有经济性和可持续性的解决方案。于是他带领团队模拟自然光合作用，开发出人工光合作用（APS）系统，利用阳光将二氧化碳转化为葡萄糖前体，为进一步加工成食品提供基本原料。

他研究利用微流控平台来简化光捕获和分步酶促反应，使用可吸收可见光的半导体光催化剂（例如C3N4、Cu2O、Au/TiO2）来取代叶绿素，以高效利用太阳光、提高耐用性。此外，他还使用NaHCO3溶液可控地增高二氧化碳浓度。更重要的是，张需明通过将RuBisCO和其他酶固定在微反应器不同区域或微流控平台的不同微滴上，提高了酶活性，使得酶可被重复使用，也避免了逆反应和交叉污染。

在近期的研究中，张需明带领团队实现了以13.8μmol g-1 RuBisCO min-1的产率来连续生产葡萄糖前体，显著提升了RuBisCO的性能，提高了酶稳定性（储存稳定性增加7.2倍，热稳定性6.7倍）和可重复性（5次循环使用后仍保有90.4%的活性，10次循环后保有78.5%）。

此研究利用微流控平台技术来复现APS途径，仅用很少量的RuBisCO就能连续合成葡萄糖前体。因此被学界寄予厚望：“尽管与工业生产尚有距离，但张博士的工作演示了基本食物材料的人工合成，将有益于缓解粮食危机，也可能对载人空间站和未来太空移民有用。”

基于相关研究，2011年至今，张需明多次在国际光流体学多学科会议、国际先进技术材料会议、国际微化学与微系统研讨会等国际学术会议上获得最佳墙报奖、最佳论文奖。在2018年，张需明还荣获IOO国际基金会和国际光流体协会颁发的创新奖。

深耕微流控技术领域多年，迄今为止，张需明已经在国际权威期刊发表论文200余篇，相关成果多次被媒体以专题、亮点、封面形式报道。而在不远的未来，张需明最希望的，就是这些科技成果都能一一得以转化落地。因此，在他近年来的招生要求中，最醒目的一条就是“目标为毕业后去深圳开个小公司，把研究成果做成产品”。

启发引导，创造自由

生活里急脾气的张需明，做起科研来却慢悠悠。这种慢里边，有一种笃定的自信和不急于求成的非功利心态。带团队的过程中，他根据自己过往的经历，以及从老师们那里传承来的宝贵经验，形成了一套自己的方法学。

张需明从来不会强制给学生规定任务和目标，一般只是确定研究方向，定期询问进度，与学生一起复盘、总结。他尤其注意给不同的学生分配差别较大的方向，避免趋同竞争。张需明希望学生做研究能“做得爽”，真正将这当成一种爱好，在兴趣驱动下，自发去探索和交流。而学生们也常常不负所望，既保持着对科研的热爱，也接连做出成果，这令张需明倍感欣慰。

▲张需明（左一）与团队成员

2016年，张需明指导的研究生蔡智聪和杨沛航研究出太阳能光催化污水净化器，成本只为传统污水净化花费的十分之一，受到《星岛日报》的报道。2018年，在第十一届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛决赛中，张需明指导的学生项目，从来自清华大学、上海交通大学、浙江大学、台湾大学、香港理工大学等105所高校的千余名学生带来的213个科技创新项目中脱颖而出，荣获二等奖，为节能减排贡献了创新力量。

在对本科生的教学当中，张需明延续了自己带研究生的风格，给予学生宽松的学习环境。与此同时，面对物理学复杂的理论常常让学生摸不清楚头脑的状况，张需明也在不断改进自己的教学方式和内容，以生动的案例和趣味性的讲解引起学生的兴趣。

作为应用物理系的副主任、研究委员会主席，张需明对学科的发展、学生的就业前景十分关心。为此，他积极调整学科方向，以“既不能丢掉物理的根子，也要去面向社会的热门应用”为原则，开设了多门与社会需求紧密结合的课程，辐射物理、人工智能等新兴领域通通被纳入课程体系当中。

拓展学科边界、尽量接近社会需求的同时，张需明还切实推动学术交流，为研究生争取出国交流的机会，并面向本科生举办各种线下、线上学术讲座。在学术队伍建设上，张需明大力扶持优秀人才，从项目、资金、曝光度、学术合作等方面给予充分关怀。

虽然身处管理职位，但是张需明从来不认为好的队伍是“管”出来的，而应启发引导，创造自由开放的氛围，提供充满人性化的服务，帮助大家解决一些共性的问题。张需明相信，绝大部分人都会在自我驱动中，尽情生长。

专家简介

张需明，香港理工大学副教授、香港理工大学应用物理系副主任、研究委员会主席。1994年毕业于中国科学技术大学精密机械系，1997年在上海光学精密机械研究所获硕士学位，2006年在新加坡南洋理工大学电子工程学院获博士学位。

他在《自然·通信》（Nature Communications）, 《物理进展报告》（Reports on Progress in Physics）等期刊上发表论文130余篇，总引用4000余次（仅他引），其科研结果多次被《自然·光子学》（Nature Photonics）、美国物理联合会（AIP）等国际期刊和媒体做亮点和专题报道。

先后获得亚洲华尔街日报香港分社颁发的2005年度青年发明家奖铜奖、2006年新加坡工程师协会杰出成就奖、2018年IOO国际协会和国际光流体学会颁发的创新奖（Innovation Award），以及多个国际会议最佳论文等奖励。

研究方向包括：微流控芯片技术、微纳光学、传感器和光催化。主要研究成果有：人工光合作用系统（利用微流控平台把二氧化碳和阳光转化成碳水化合物）、紫外光催化水净化技术、微藻育种芯片、人工复眼全景相机等。