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从“猪笼草”走出来的 Nature 论文
——记《Nature》论文第一作者张鹏飞
一、个人介绍
张鹏飞，河南周口人，于 2008年考入北航机械工程及自动化学院
本科，2012年保送北航机械学院学术硕士，2013年转为硕博连读攻读
博士学位，专业方向为仿生界面的设计与制造研究。导师是张德远教
授和陈华伟教授。在读期间是国家自然科学基金重大项目的主要参与
者。
二、成果简介
凭借持之以恒的努力和脚踏实地的科研，到目前为止，已经发表
学术论文 19 篇，其中第一作者（或第一学生作者）13 篇，包含 SCI
论文 9 篇（第一作者 7 篇），8 篇处在 JCR 分区 Q1 区，7 篇为中科院
TOP 期刊，影响因子之和达到 78（第一作者为 63）。其中，以共同第
一作者（第一学生作者，另一名共同一作为导师）在国际顶级期刊
《Nature》上发表论文 1篇，该论文是中国机械工程学科在《Nature》
上发表的首篇文章，也是北航第一名在读学生在《Nature》杂志发表
论文。所发表的 3 篇论文还被期刊选为了封面文章，包括被邀请在国
家自然科学基金委主办的《中国科学基金》上发表的封面论文。所发
表的第一篇 EI 论文是以本科毕设的内容完成的，发表的第一篇 SCI
论文即被期刊选为了封面文章。此外，还申请公开发明专利 4 项，其
中 2项已授权。
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三、研究概述
在读期间，瞄准国家重大战略需求，依托于国家自然科学基金重
大项目“精准微创手术器械创成与制造基础”，以其子课题“仿生界
面的设计与制造基础研究”为内容，师法自然，本着“有所发现、有
所发明、有所创造”的研究思路，揭示猪笼草体表超湿滑机理、研究
仿生超湿滑表面的设计与制造基础问题、并最终解决载能微创器械的
粘着问题。
微创器械因其创伤小、痛苦轻、愈合快而成为未来医疗器械发展
的趋势，微创医疗器械也逐渐成为医疗器械的技术制高点。我国微创
外科手术量已跃居世界第一，微创手术器械创新发展被列入了“十一
五”、“十二五”发展规划的重点扶持方向，但与发达国家相比微创
器械整体水平差距显著，尤其高档微创医疗器械仍以进口为主。在微
创器械进行手术时，实质是制造损伤而后愈合的过程。现阶段，在使
用载能微创高频电刀、超声刀进行手术切割时，刀头经常会出现大量
的软组织的粘连，由此引起的组织创伤、撕裂出血等及其引发的并发
症、后遗症占到手术事故的 80%以上。因而，解决微创器械的软组织
粘着问题是非常迫切的实际需求。
大自然经过亿万年的进化，发展出很多优异功能，为人类解决实
际问题提供了便捷而有效的“方法库”。猪笼草是一种食肉植物，其
可以依靠超湿滑的口缘捕食昆虫。2011年哈佛大学的 Aizenberg等人
在《Nature》报道了以此仿生设计的超湿滑表面。但是，猪笼草口缘
表面的超湿滑形成机制却并未被揭示。在重大项目的牵引带动下，从
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本科毕设开始，张鹏飞就着重开展猪笼草超湿滑的形成机制及其仿生
研究，与猪笼草结下了不解之缘。通过仔细分析猪笼草口缘表面的微
观结构、探究宏/微观液体在口缘表面的液体流动特点，他首次发现了
猪笼草口缘表面的液体单方向搬运现象，这是一种反常理的“水往高
处流”的液体微流动现象。通过与中科院理化所江雷院士等研究人员
的合作，揭示了蕴藏在其中的科学机理，取得了重大学术研究成果，
并将研究成果发表在了世界顶级期刊《Nature》上。该论文是中国机
械工程学科在该期刊发表的首篇成果，张鹏飞也成为北航历史上第一
个在《Nature》发表论文的在读学生。成果发表后被工信部、国家自
然科学基金委、北航、人民日报、新华社、光明日报和中国科学报等
数十家单位和媒体报道，引起的广泛的关注。
学术科研上，张鹏飞一直坚信天道酬勤，长时间的实验虽然枯燥
辛苦，但他却乐在其中。在此前发现自然的基础上，他发展了单方向
液体输送新方法、设计了具有液体单方向搬运特征的新结构，开创液
体二维表面搬运新领域。通过生物复制成形、3D打印、光刻等加工方
法，制备了仿生口缘表面。这种人工制备的表面具有生物口缘表面一
致或相似的结构特征，通过控制表面的浸润性可实现液体的单方向搬
运。同时，研究了表面结构与单方向液体搬运的匹配关系，通过在制
备的人工口缘表面添加温敏分子层，制备了温度可控的智能口缘表面，
最终实现了超越自然的神奇功能。这些系列研究发表在国际著名期刊
ACS Applied Materials & Interfaces，Small等期刊上。
科研不仅要顶天，还要立地。因而，在进行猪笼草口缘机理揭示
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与仿生功能制备的同时，深入开展以猪笼草超湿滑表面为手段来解决
载能微创器械表表面粘着问题的研究。他首先探索出了一条增强型水
辅助法制备具有规则微米尺度多孔薄膜的手段，并首次制备了具有多
级特征的多孔薄膜，在此基础上制备出大面积超湿滑膜，这种薄膜具
有良好的自清洁和透明性。通过以微创器械普遍使用的不锈钢为基底，
其首次制备了具有优异耐高温特性的超湿滑表面，这种超湿滑表面可
以大幅度的降低软组织的粘着。创造性的将这种超湿滑表面制备在高
频电刀上，实际的软组织切割证明该表面具有创伤小、粘着低的优异
表现，这些研究为载能微创手术器械的粘着问题的解决提供了新途径。
同时，这些系列研究发表在著名期刊 Journal of Materials Chemistry
A，Applied Surface Science 等期刊上。
在已经取得显著成果的同时，注重继续深化研究。由于猪笼草口
缘表面 结构的复杂性，常规制造方法很难在金属表面进行如此复杂微
尺度三维结构的加工，后续研究将着重探索将液体单方向搬运的结构
与机理应用到实际的应用之中。比如，使用此无动力液体搬运的方法
实现刀具等表面的自润滑、远距离无动力的农业灌溉、可控微流体设
备和其它医疗设备等。此外，还将探索液体单方向搬运结构的简便智
能可控制造，制造出具有可智能调控的响应性液体单方向搬运表面，
为实现智能微流体的制备提供新途径。对于载能微创手术器械刀头表
面的粘着，在已经取得的超湿滑表面防粘效果的基础上，将液体单方
向搬运自润滑表面制备到载能微创刀头上，有望实现更好的防粘效果，
该方案的系列研究均已申请了发明专利。
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四、积极实践
在学习科研的同时，张鹏飞还积极参与学校及社会的实践。积极
服务于班级建设，在硕士阶段担任班级副班长及团委书记。在硕博第
一年，他担任了本科生《工程图学》课的助教，每周定期前往沙河校
区指导本科一年级同学的学习，并主讲上机课程。他还担任了研究生
一年级《科技写作论文》课的助教，服务研究生们的课程学习。他被
选为了 2015年研究生成才表率优秀事迹报告团的成员，将自身从事仿
生科研所遇到的故事、所得到的体会分享给广大的研究生和本科生，
传播自己对于本科到研究生的思想转变、科研方法和论文写作的见解，
为他们提供借鉴参考。在 2016年召开的首届工信部“七校论坛”上，
他作为北航的唯一学生个人研究成果代表作报告发言。在 2016年的北
航研究生迎新开学典礼上，作为其中的参演成员参与其中。
五、合作共赢
张鹏飞所从事的是具有多重学科交叉特点的研究，在两位导师的
指导下进行科研的同时，他积极和其它学校和单位合作科研，实现抱
团取暖，合作共赢。他在老师的指引下和中科院理化所的江雷院士、
刘洪亮老师合作揭示猪笼草的自然规律，研究猪笼草表面的仿生制备
和应用，探索智能仿生口缘的制备；和北航化学学院的蒋莹副教授合
作，对自然现象进行理论分析；遍寻北航校内、周边高校的实验仪器
设备来完成自己的实验。学科交叉已经成为学术研究的新趋势，多种
学科的交叉融合、多位师生思想的交叉碰撞才使得研究结果和理论更
完善，他也从中学到了很多科研之道和科学思想。
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六、获荣誉奖励
四年多的研究生期间，通过学习科研的努力，他获得了很多认可
和荣誉奖励，他获得过 2016 年北航五四奖章，2016 年北航研究生十
佳、2015 年和 2016 年连续两年的研究生国家奖学金、北航研究生成
才表率、2015年北航年度人物提名、博士研究生创新基金、博士生卓
越学术基金、空中客车奖学金、华夏聚龙奖学金和优秀学术论文奖等。
这些成果的取得是其突出成绩的真实写照，他在学院甚至学校创造了
一系列的好名次，包括：发表中国机械工程学科第一篇 Nature论文、
北航在读学生发表第一篇 Nature 论文、北航 2016 年五四奖章评比最
终得分第一、机械学院第一个研究生成才表率报告团成员、机械学院
第一个连续两年获得研究生国家奖学金、机械学院唯一一个同时获得
博士研究生创新基金和博士生卓越学术基金、机械学院历年在读博士
生发表 SCI论文影响因子之和最高、2016年机械学院博士研究生国家
奖学金评比排名第一等。
七、展望未来
北航作为工信部直属高校，始终瞄准着国家重大战略需求。张鹏
飞也将秉承北航“德才兼备，知行合一”的校训，以国家重大需求为
研究指引，继续深入开展载能微创医疗器械有关界面的深入研究、探
索智能微流体的设计与制造研究，推动医疗器械智能界面、微创器械
界面的创成与制造研究的发展，为相关科学领域的进步作出更多贡献。
已取得的成绩是对过往付出努力的认可，也是继续奋斗的动力。
在北航这个大平台下，他的导师张德远教授和陈华伟教授为他提供了
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优越的科研平台，自然基金重大项目为他提供了大好科研机遇，实验
室的同学们为他提供了良好的科研氛围，合作老师们教给他正确的学
术思想，家人们是他背后坚强的后盾。处在人生道路的十字路口，他
会百尺竿头更进一步，以更好地成绩答谢关心支持他的人们。
附 1：个人研究成果及荣誉
一、发表论文
[1] Huawei Chen*Ϯ(导师), Pengfei ZhangϮ, Liwen Zhang, Hongliang Liu,
Ying Jiang, Deyuan Zhang*(导师), Zhiwu Han, Lei Jiang*. Continuous
directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata.
Nature, 2016, 532(7597): 85-89.（Ϯ共同一作）（IF：38.1）
[2] Pengfei Zhang, Huawei Chen*, Liwen Zhang, Yi Zhang, Deyuan
Zhang*, Lei Jiang. Stable slippery liquid-infused anti-wetting surface at
high temperatures. Journal of Materials Chemistry A, 2016. (IF: 8.2)
[3] Pengfei Zhang, Huawei Chen,* Li Li, Hongliang Liu, Guang Liu,
Liwen Zhang, Deyuan Zhang, Lei Jiang. A bio-inspired smart peristome
surface for temperature-controlled unidirectional water spreading. ACS
Applied Materials & Interfaces, 2017 (IF: 7.1).
[4] Pengfei Zhang, Huawei Chen*, Liwen Zhang, Yi Zhang, Deyuan
Zhang*. Anti-adhesion effects of liquid-infused textured surfaces on
high-temperature stainless steel for soft tissue. Applied Surface Science,
2016. (IF: 3.1)
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[5] Pengfei Zhang, Huawei Chen*, Liwen Zhang, Tong Ran, Deyuan
Zhang*. Transparent self-cleaning lubricant-infused surfaces made with
large-area breath figure patterns. Applied Surface Science, 2015, 355:
1083-1090. (IF: 3.1)
[6] Pengfei Zhang, Huawei Chen*, and Deyuan Zhang*. Investigation on
surface morphology-induced effect of slippery zone in the pitchers of
Nepenthes alata. Journal of Bionic Engineering, 2015, 12(1). (IF: 1.6).
[7] Pengfei Zhang, Huawei Chen, and Deyuan Zhang. Preparation of
multi-level honeycomb-structured porous films by control of spraying
atomized water droplets. Journal of applied polymer science, 2014,131(21).
(IF: 1.8 封面文章)
[8] Pengfei Zhang, Huawei Chen*, Liwen Zhang, Tong Ran, Deyuan
Zhang. Breath figure patterns prepared by spraying ultrasonic atomized
water droplets. IEEE NEMS 2016, Sendai Japan.（EI）
[9] Pengfei Zhang, Huawei Chen*, Liwen Zhang, Deyuan Zhang.
Anti-adhesion effects of bioinspired slippery surfaces on the monopolar
scalpel for soft tissue. ICBE 2016, Ningbo China.（EI）
[10] Pengfei Zhang, Huawei Chen*, Liwen Zhang, Deyuan Zhang.
Anti-adhesion effects of nepenthes pitcher inspired slippery surfaces on
the monopolar scalpel for soft tissue. ICFDM 2016, Shenyang China.
[11] 陈华伟, 张鹏飞, 张力文, 张德远, 蒋滢, 刘洪亮, 韩志武, 江
雷. 中国科学基金，2016, 3: 217-219. (邀稿封面文章)
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[12] 张鹏飞, 张德远, 陈华伟. 猪笼草内表面微观结构及其浸润性
研究. 农业机械学报, 2014, 45(1): 341～345.（EI）
[13] 张鹏飞，张德远，陈华伟，饶夫刚. 猪笼草超滑区各向异性结
构对昆虫亲附的影响 . 北京航空航天大学第十届研究生学术论坛 .
2013.11.
二、申请的发明专利
[1] 一种液体单方向铺展仿生表面织构，申请人：陈华伟，张鹏飞，张
德远，张力文。受理号：201410589857.1，公开号：CN104355283A，
已授权。
[2] 一种载能微创手术刀具表面自润滑防粘的结构，申请人：张德远，
陈华伟，张鹏飞，张力文。受理号：201410460681.X，公开号：
CN104188719A，已授权。
[3] 一种多级蜂窝状微孔薄膜的成形方法，申请人：陈华伟，张德远，
张鹏飞，张力文。受理号：201410461188.X，公开号：CN104211981A。
三、所获荣誉/奖励/基金
2016年 12月，评得北航五四奖章；
2016年 9月， 评得研究生国家奖学金；
2016年 5月， 评得研究生十佳；
2016年 5月， 获得博士生卓越学术基金资助；
2016年 5月， 评得优秀学术论文奖；
2016年 4月， 获得“研究生成才表率”称号；
2015年 12月，获得“北航榜样”年度人物提名；
2015年 9月， 评得研究生国家奖学金；
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2015年 5月， 评得优秀学术论文奖；
2015年 3月， 获得博士研究生创新基金资助；
附 2：Nature文章及相关报道
图 1：Nature文章截图
图 2：文章被选为当期推荐文章 图 3：工信部网站报道
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图 4：国家自然科学基金委网站报道
图 5：北航主页报道
图 7：人民日报报道 图 8：光明日报报道
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图 9：中国科学报头版报道 图 10：科技日报头版报道
