科學家要有良知，
我們搞科研，
是為了讓這個世界更加美好。
宋延林 · 中國科學院化學研究所研究員
格致論道第93期 | 2023年4月8日 北京
各位朋友大家好！我是宋延林，今天給大家介紹一段盲文印刷的故事。
我來自中國科學院化學研究所。去年（2022年）7月份，我們所的賬號在B站上邊放了一個盲文印刷的影片。就有學生告訴我，說這已經成了熱門，當時播放量達到了300多萬。我那時才第一次關注到B站，以前都只是聽說，沒有真正自己看過。
那麼我就看到滿螢幕好像都是很亂的字，我問說這是什麼？他們說這叫“彈幕”，是B站特有的文化。所以我是去年才跟B站結緣，但是我們跟印刷已經結緣了有將近20年的時間。
而瞭解到盲文這個事，大概是10年前。那時我聽到有一個小女孩唱的一首歌，叫《你是我的眼》。我算是一個比較敏感的人，聽了這首歌非常受觸動，晚上翻來覆去睡不著。“你是我的眼，帶我穿越擁擠的人海，帶我閱讀浩瀚的書海，讓世界呈現在我眼前……”
晚上睡不著我就在想，怎樣能透過我們的工作來幫助這些人？我閉上眼，假設自己是一個盲人，覺得非常可怕，陷在黑暗當中，跟外界好像失去了很多聯絡。這促使我們想，一定要做點什麼事情，能夠幫助他們的事。
傳統盲文印刷的侷限性
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我們首先就想到，盲童受教育，讀的書是怎麼生產出來的？瞭解以後才發現，盲童要學習比我們普通人要困難得多。
▲ 解放日報-上觀新聞：《全國盲文教材在上海這所學校印刷，暑期從未停工》
因為盲文圖書的印製非常複雜，是一種專用的技術，包括它的紙張都是自成體系的。通常盲文是透過類似金屬板衝壓這種方式印製的。
盲童到盲校裡邊，都是老師給他幾張紙，叫牛皮紙，其實是一種進口的特種紙，非常昂貴。一張A3的盲文書寫紙，大概人民幣是1.5元。所以盲文的圖書成本非常高昂，相當於普通圖書大概15-20倍的價格，這也是影響他們獲取知識的一個非常大的瓶頸。像北京、上海城市裡邊的孩子，差不多每5個孩子才有一本盲文書來讀。
那我們普通人呢？按現在書籍的發行量，普通人每年有36.5本書可以讀，甚至現在大家更多是看手機了。但我們盲童在盲校裡邊，他們真的是無書可讀。所以我們就想，怎麼能夠透過技術的進步幫助到盲童？
▲ 反覆使用容易磨損，新書甚至能劃傷手指
現在使用這種盲文圖書，除了成本高昂，還有其他幾個侷限。第一個，它只能在這種特種紙上才能實現，換一種其他紙張就不行，更不要說在其他的比如說像塑膠薄膜或者是玻璃、陶瓷的表面。
第二個，它很容易就被摸平了，特別是如果小朋友手溼了，沒擦乾就去閱讀的話，很可能就把這個字點給摸平了，那麼下一個同學讀起來就非常困難。另外如果是新書，小朋友皮膚比較嬌嫩的話，還會出現被紙張割破這種情況。
▲ 展示圖片困難，厚重的專用紙張成本很高
還有一個，目前這種金屬板衝壓，或者說拿針刺的方式，它主要能表現文字，但是圖形就非常困難，所以就極大地限制了盲童學習過程中知識的獲取。
因為我們實驗室做印刷技術已經做了十幾年時間，有一個小的方向專門是做3D列印。所以我們就想，能不能透過列印的方式，控制列印的墨滴，讓它精確地成為我們想要的這種盲文的字點。甚至是不是直接就可以用普通的紙、普通的印表機實現這一點？
道理實際上很簡單，但真正要把它實現其實還是挺困難的一件事。因為把一個墨滴做得非常均勻，特別是一個立體的形貌，還有非常大的挑戰。
關於印刷的基礎科學
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我們十幾年前開始做奈米綠色印刷的時候就立下一個目標，希望能夠控制每一個墨滴精確地成型，做世界上“最小的點”“最細的線”“最薄的面”。
“點、線、面”是印刷一個圖形最基本的單元，我們希望把老祖宗留下的印刷術再次做到世界上最高的精度。但是要實現這個夢想，其實從技術上、從科學上都有非常大的挑戰。
▲ 咖啡環效應Coffee ring effect
比如說，想把墨點做小，我們就遇到一個科學上非常常見的難題，叫咖啡環效應。一滴咖啡在固體表面，它在乾燥過程中會擴散，最後形成一個邊緣厚中間薄的不均勻斑點。這個問題表面物理化學家已經研究了很多年，但是沒有根本上得到解決。
▲ 液滴擴散控制：最小的點
那如果想精確地控制一個墨點的形狀，就必須解決這個難題，我們有幾位博士生同學前赴後繼、專注研究液滴乾燥過程中咖啡環效應的解決。最後我們突破了這一點，做到了我們說的世界上最小的點。
這不僅在尺寸上有非常大的提高，從原來的微米尺度推進到奈米尺度，也就是比原來的精度提高了1000倍；而且甚至可以精確地控制每一個墨滴裡邊奈米顆粒的個數，1、2、3、4、5、6……這都是肉眼看不到的。這就從根本上解決了咖啡環效應，而且保證每一個墨點是在高精度下均勻一致的。
▲ 瑞利失穩效應Rayleigh instability
第二個難題就是怎麼樣做世界上最細的線。這又遇到一個科學難題，叫瑞利不穩定性。瑞利是個非常偉大的科學家，得過諾貝爾物理獎。
通常大家認為兩個墨滴融合形成一條直線的時候，如果你拿放大鏡去看，實際上它是形成這種類似於啞鈴形或者波浪線的。這是之前印刷界的常態，要實現高精度的、特別是到奈米尺度的印刷，我們就必須抑制瑞利失穩這種現象。
▲ 液滴融合控制：最細的線
又是幾位博士生同學把這種非常基礎的問題從根本上、原理上實現了突破，最後我們做到了世界上最細的線，就像上面圖片裡邊由單奈米顆粒、雙奈米顆粒形成的線，並且我們給出了相應的公式。
▲ 馬拉格尼效應Marangoni effect
第三個就是怎麼樣做最薄的面。這裡邊又涉及到一個非常基礎的科學問題，叫馬拉格尼效應。在溶液乾燥過程中，固體的物質怎麼遷移、怎麼沉積，我們也是從基礎的理論出發，對它的規律深入地認識，能夠隨心所欲去精確控制它的成型。
▲ 最薄的面
點、線、面這些基礎問題突破後，我們就把傳統的印刷術從原來的微米尺度推進到奈米尺度，也就是比原來印刷術的精度提高了1000倍。正好趕上當時3D列印的熱潮，所以我們又把這個目標定為“怎麼樣做世界上最高精度的體”。
之前大家都認為，列印的墨滴一旦脫離印表機的噴孔就失去了控制。就像上面這個圖片，幾乎沒有兩個墨滴能形成完全一樣形貌的立體結構。就像達芬奇畫不出兩個一樣的雞蛋，看起來很簡單，但是實際上每一個墨滴落在固體表面它最後的形狀都是不一樣的。
那我們怎麼研究呢？我們研究墨滴在不同基材表面、在成型過程中怎樣能夠精確控制，專業上叫控制氣固液三相線動態移動的問題。深入解決這樣的一個問題，就讓我們能夠超越目前國際上公認的難題。
▲ 三維結構控制
我們透過對液體乾燥過程中它的動態行為的精確控制進行深入研究，保證每一個墨滴在乾燥過程中它的大小、尺寸、形貌，甚至取向都可以精確一致。這是一個非常複雜的有理論、有實驗的過程。最終結果就是我們點、線、面、體都做到了世界上最高的精度，甚至是超越了幾個數量級。這就給列印各種各樣精確的立體形貌奠定了一個基礎。
▲ 左：衝壓出的盲文
右：我們列印的微凸起結構
我們能夠精確控制每一個墨滴的成型，最後形成我們想要的各種盲文字點，那麼它的效果比原來衝壓的這種盲文就有非常大的優勢。一個是非常圓潤，再也不怕把手給割破了，而且再也不怕摸平了。
從科研到打印出第一本書
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實際上，如果用我們的技術做一本樣書是容易的。但我們有幾千萬弱視人群，要怎麼樣幫助這麼多視力有障礙的朋友？這就需要從實驗室走到工廠。
第一個問題就是，怎樣把墨水做好。剛才說了，我們能夠精確地控制墨水乾燥過程中的成型問題。但是我們當時想，如果只是印書的話，對他們的幫助其實還有限。比如說他要出門，要坐電梯，電梯裡邊能不能讓他觸控到“我要到幾層”。其他場合比如說開門、關門能不能讓他們自己掌握相應資訊。
這就要在不同材料表面都能精確控制墨點的成型，而且能有很高的黏附力，讓它不會脫落。所以怎麼樣在不同表面讓這個墨水能夠快速地固化，而且能夠牢固地黏附，這是我們要研究的墨水開發的問題。
▲ 左：噴頭堵塞
右：過慢、過快墨滴
墨水這個問題解決後，還有一些非常基礎、工業界困擾已久但還沒有得到解決的問題。比如說列印時墨滴出來以後，我們認為每個墨滴都是一樣的，但是除了剛才說的它可能成型過程中造成形狀、大小的差異，還有可能造成所謂的衛星墨滴。
一個墨滴碰撞到固體表面，它會濺射開形成大小不均的斑點，如果這樣的情況不能很好地抑制，就很難變成一個成熟的生產工藝。所以我們專門有一個博士生，他的博士論文就專注在衛星墨滴的起因和它的解決方案上。最後我們把這些基礎的問題也都從源頭得到了解決。
▲ 列印控制系統
另外一個就是，我們怎麼樣把盲文的資訊轉化為印表機的指令？這裡邊既有硬體的問題，又有軟體的問題，我們有一個小團隊專門去解決這個問題。
▲ 高速盲文出版物印刷機
解決這個問題以後，我們把這種綜合的技術整合到我們自己開發的盲文印表機。這個裝置不僅可以列印文字，還可以列印各種複雜的圖形。
▲ 左：簡單的樣品
中：孩子用的透明盲文
右：老師校對用的黑色盲文
我們列印的第一本書是《沒頭腦和不高興》，這是一本幼兒讀物，我們希望他們讀了以後能夠變得更加高興起來。
不僅是列印圖書，我們還列印了一批玩具。我們知道，魔方對開發兒童的智力是非常有幫助的，但是之前盲童實際上沒法玩魔方，因為它是透過不同的面呈現不同的顏色來玩的。對我們明眼人，玩魔方是很簡單的遊戲，但是對盲童那幾乎是不可想象的。我們就在這個魔方的不同面上打印出不同的圖形，這樣盲童也可以玩魔方了。
2018年5月17日，在中國助殘日，我們給北京盲校的孩子捐贈了一批圖書和教具。你看邊上那個小朋友他手裡拿了兩個魔方。本來想讓每個小朋友拿一本書，我們一起照個相，但是他很喜歡這個魔方，不肯撒手，一直拿在手裡。所以我覺得這樣一個玩具，可能孩子他會得到非常多的快樂。
千變萬化的盲文印刷
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我們也知道，盲人的就業還是比較困難的，傳統上一種是做盲人按摩，一種是做調音師。所以我們就開發了相應的教材。
▲ 展示生理解剖結構
之前他們是沒有教材的，完全靠師父帶徒弟這種口口相授，然後靠盲人自己的記憶力和領悟力。那我們印刷出相應的教材就可以幫助他們瞭解人體的骨骼和脈絡。
▲ 音樂教學
另外我們做出能讓他們用手觸控的這種五線譜，之前他們甚至都沒有想象過會有這樣的幫助。
其實每一個盲童在出生的時候，他跟普通的孩子在智力上是沒有差異的。但是因為後來他受教育，特別是從書本學習的知識的差異，所以差距就越來越大。那我們能不能讓盲童也學上數理化？
▲ 左：實驗圖
右：地形圖
數理化涉及到很多立體的、幾何的東西，很難用語言去描述。所以我們就想，盲人的手就是他的眼睛，我們把儘可能多的資訊透過手可以觸控的這種方式，讓他感知到比如化學實驗的各種裝置，比如這種立體的地形圖。
還有，如果他視力受到限制之後，其他感官就變得更加靈敏。比如說他的聽力、他的嗅覺會更加靈敏。普通孩子感受不到的，他們就特別敏感。
我們就想，比如說列印一個水果、列印一個糕點，除了讓他觸控大概這個形狀是什麼樣子，能不能讓它釋放出相應的香味，給他一個更加全面的資訊。所以我們就開發了幾十種不同香味的墨水，讓他手觸控的時候可以緩釋出來相應的香味。
比如列印一個香蕉，那麼除了觸控到香蕉的形狀，還有香蕉的香味，這樣就能夠非常好地幫助他更全面地瞭解這種水果的特性。當時盲校的老師也說，這相當原來他們的世界是一個零碎的、碎片化的黑白世界，我們給了盲童一個彩色的世界。
那我們還推出了盲文的兒童繪本，比如說唐詩繪本，他在觸控這個唐詩的時候，除了邊上有盲文，還可以透過聲音把唐詩讀出來，包括解讀。這樣他就能更好地融入到普通孩子的世界裡邊去。
▲ 左：參與國際展會
右：美國國家盲文出版社的邀請
我們不僅幫助國內的盲童和盲人，也希望新的科技能造福全世界的盲人，所以我們也跟國外有廣泛的交流。美國盲文出版社的CEO也專門跟我們聯絡，就是希望更多地瞭解我們的盲文印刷技術。
那我們這樣一個技術也在冬奧會期間發揮了相應的作用，讓運動員、裁判員瞭解相應的，特別是殘奧會比賽場館的資訊。
這也是他們在奧運歷史上第一次親手去觸控這樣的明盲對照印刷品。
那麼除了幫助盲人之外，實際上我們還可以讓普通的印刷品變得更加豐富多彩。
萬物可為墨，世界皆可印
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我們還做了一個工作，就是用一種墨水打印出全綵色的影像，這可以說顛覆了我們對彩色印刷的一個認知。
這是什麼道理呢？我們知道，300年前牛頓發明了三稜鏡，把一個白光分解成七色光。我們就是用這個原理，讓每一個墨滴精確地控制成型為這種微小的三稜鏡，當然實際上是一種球冠形結構。
用這種選擇性反射這樣一個模式，我們用一種墨水就可以打印出全綵色的影像，看起來是不是很神奇？
我們還可以把一滴墨水轉化為我們想的各種各樣的形態。比如說我們用一滴墨水變成一顆牙齒。
我們還用一滴墨水變成一副美瞳或者隱形眼鏡。它的透光、透水、透氧還有生物相容性完全達到使用要求。所以把我們的溶液、墨水做好，其實可以做出千變萬化、各種各樣的神奇應用。
在B站，很多學“生化環材”的同學說這四大天坑。我們化學可以算是一個比較傳統的基礎學科，印刷術又是非常傳統的一個技術。但把這些新的知識、新的科技進步融合起來，我們就可能跳出四大天坑，把四大發明再次發揚光大。
所以我對自己的課題組寫了一段話放在網頁上邊，題目就是“From Impossible to I’m possible”。字母都是一樣的，但是你要大膽地創新，勇敢地挑戰，而且長期地堅持，你就可能改變你現在的這個學科。
我們不僅要把天坑填滿，我們還要在這個天坑上造出一個新的珠穆朗瑪峰，把老祖宗留下來的印刷術再次發揚光大。這就期待更多對科學探索有熱情的青少年能加入到中國的科研隊伍中來。
我個人還有一個觀點，就是科學家也要有良知。我們搞科研是為了讓這個世界更加美好，而不是更加殘暴。這也是我們對未來的一個期盼，也希望更多同學能夠做有溫度的、有希望的科研。
謝謝大家！
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本文轉載自公眾號“格致論道講壇”