实验三守则

基于“解决实际问题”的出发点,我总是苦口婆心宣扬自己的实验三守则:

1. 安全

安全第一,是十分正确且需要反复强调的废话。不安全,就相当于制造了安全隐患,违背解决问题的初衷,给自己、尤其是他人的生命安全制造问题。

有先辈冒着生命危险搞科研,比如居里夫妇发现镭并提纯的故事。皮埃尔居里因为胸前口袋放了几十毫克镭,前胸出现了永久性疤痕。居里夫人中年后患了白血病。现在也有不少科研人员,为了发paper或其它原因,做各种(在我看来)十分危险的实验。

这些不是我所能理解的,我也不信这套为科研献身的理念。我认识几个同学,专门从化学系转到电子工程系,以为可以不用做有毒的化学实验。我也进过的几个实验室,每一次参加安全教育的核心内容,都教我们一旦出事该如何逃跑。都是讲如何保护自己,先离开危险的源头,最后才考虑打电话请专业人员来拯救公有财产。

2. 凶残

这是说别小家子气谨小慎微,细心的同时也要大手大脚做实验。在不违背第一原则的前提下,别爱惜实验仪器,更别爱惜自己。也指要长时间、高密度,高强度做实验,而且是批量化制备同一步骤的样品。主要有三点考虑:

2.1 消减上头成本(实验步骤转换之间需要支付的时间)

拿我自己做压力传感器举例,若是材料已经准备好了,做成一个传感器需要四步: (1)准备衬底; (2)光刻; (3)热蒸; (4)电极引线,加材料组装成最后的sensor。

每一步都不复杂,但做每一步都需要必不可少的准备工作。拿第二步光刻说,我一下午四个半小时,可以做48片。但是,无论我打算做多少片,一旦开工,就必须要去光刻房、准备实验设备、解冻光刻胶……至少需要半个小时。这半个小时大概等同于经济学上所说的“上头成本”,无论我最后制备多少片子,这半个小时都必须提前付出。

按一下午做48片的节奏,每片的时间是:270min/48片=5.625min/片。其中包含了0.625min (30min/48片) 的“上头时间成本”,和5min (240min/48片) 的“生产时间成本”。

若是我按当前的需求只做4个片子,那么每个片子的时间是“上头时间成本均摊”+“实际生产时间”,也即是7.5min (30min/4片) + 5min = 12.5min,是原来成本5.625min的两倍多。

考虑到一个sensor需要4步才能做好,假设每一步,因为上头时间成本的投入,导致每片都是原来的两倍贵 (时间、水、电、人工),那么一次做48片的单价,就是每次做4片的16倍 (2^4) 贵。也就是,本来成本是1块钱的sensor,现在就需要卖到16块以上才能盈利。一般情况,产品越贵,市场竞争力越弱。

这种思路,亚当斯密早在1776年的《国富论》中已经提出。它举做钉子为例,一个小作坊,只要雇佣几个工人,分工负责拉丝、切割、削尖、装头,一天能成针十二磅,大概相当于每人每天成针四千八百枚。如果这些工人各自独立工作,一天制造不了二十枚针,说不定一枚也制造不出来。他这样解释分工合作能提高效率的原因:

第一,劳动者的技巧因业专而日进;

第二,由一种工作转到另一种工作,通常须损失不少时间,有了分工,就可以免除这种损失;

第三,许多简化劳动和缩减劳动的机械的发明,使一个人能够做许多人的工作。

这种分工合作提高效率的原理,跟让自己某一个时间段内,集中注意力大批量做同一实验步骤,有异曲同工之效。

很多人认为科研是探索未知世界的活动,不可用工业化大生产的思路搞科研。以下两点分析,将解释,恰恰是这种工业化大生产的思路,能有效地服务于探索未知的科研活动。

2.2 不自觉改进实验工艺、提高效率

若一个人集中注意力,在一段时间内,反复做同一实验步骤,他会忍不住要改进这一实验步骤。没有人能忍受得了长时间的重复性劳动,尤其是以探索未知为己任的科研人员。

因为我批量做sensor,很难想象我会忍受得了每个sensor长得难看。因为是连续做sensor,每做一个,就会自动想到下一个要怎么小改进一下,sensor也就越做越漂亮了。

更为关键的是,它保证了实验的可重复性(这点在这么强调都不过分)。批量做,就有了品控的概念。无论是做光刻的一步两片、8片一组、16片一批;还是ACF bonding切线的用刀角度、接线时拿镊子的手法、一次两片热烘、十分钟刚好换样,都是有流水线般精确控制的操作流程的。这样每次做出来的样品,都是一样的品质。只要按照流程做,基本上已经是最高效的了。很难想象,我做了几百片,每次一坐就是一个下午,一做就是几十片,我会不努力提高工作效率。谁又能忍受得了那么无聊的重复性劳动?

因为每次都是批量做样品,最后做出来的sensor,就不是一个两个做出来试试效果,而是一下子十几个sensor,是好几个实验参数的控制变量实验。按我目前这个实验,每个sensor需要测试5个状态下的数据,每个状态又有5个回合的曲线。也就是说,10个sensor会一次性给出250条曲线。

首先,因为要测试这么多曲线,若是手工一个点一个点记录,每条曲线两个小时。我不耐烦,于是学了labVIEW自动记录测试结果。其次,面对一下午出来的250条曲线,我实在没有勇气,一个个数据导入origin,一条条曲线拟合。于是被逼学了matlab批量提取数据并运算。

试想一下,若是我每次只做一个sensor、只测一条曲线,也能忍受两个小时的测试。但是因为我是批量做sensor,测试也就必须批量做,我被逼着,要去写LabVIEW代码,自动记录sensor的测试数据。因为一下子250条曲线出来,我又被逼着去写matlab代码,自动分析每条曲线。又因为我会用matlab分析数据了,也就可以从曲线中提取更多参数,才有了我现在正在做的课题。

等paper出来,我要讲一下,为什么别人做不到也不会想做的实验,我能做到。其中很关键的一点,就是因为我这种批量化生产的实验方式,被逼的我必须用计算机批量处理数据,最后得出了只有计算机辅助处理才能得出的结果。

2.3 有足够样品做各种临时性尝试

因为批量做实验样品,也就有大量衬底等着最后一步加上材料组装成sensor。基本上,一个材料过来,我分分钟做出sensor,立刻测试。测试过程中,LabVIEW界面就已经实时显示sensor的性能;软件处理数据之后给出量化指标,也能跟我之前的sensor对比。只要效果好,就可以立刻着手材料改进,最后拿到最漂亮的数据。靠着这种做事效率,我跟不少人有过愉快的合作经历。

要是没有这些批量化的样品存货,一个材料拿来,就需要从头开始光刻、热蒸、接线、做sensor,完了之后处理数据。整个流程下来,一个多星期就过去了,那时候,也许啥兴趣也没有了。

3. 不废话

这是我一直努力要达成的目标。

我不带人做实验。要么我放下自己的实验,全神贯注教人;要么我自己一个人做实验,别来烦我。最讨厌我专心做事时,别人问我这问我那。

若两个人同处一个实验室做各自的事,我经常会觉得沉默的气氛很压抑,总忍不住要说话打破沉默。这要禁止。

说话容易分神,等效于做实验的时候戴耳机听音乐。即使是背景音乐,我也不习惯在做实验的时候听,而宁愿忍受实验室的噪声。

人的大脑闲不下来,它总会忍不住找点东西思考。特别是我们在做一些重复性劳动的实验、已经轻车熟路,基本不需要动脑的时候,大脑就会暗示我们,现在很烦,必须给它输入一点东西,不然它就要胡思乱想了。一般人会在这时候选择聊天、听音乐等。

我的经验是,这时候是最好的思考时间。不给大脑输入任何信息,让它空转,让它胡思乱想。胡思乱想够了,自然就会关注手头正在做的事。因为它实在太无聊,只能深入思考手头的工作,要么提高效率,要么思考课题,都是把工作做得越来越深入的契机。“古人之观于天地、山川、草木、虫鱼、鸟兽,往往有得,以其求思之深而无不在也”,并非他们厉害,思维活跃,而是因为他们实在太无聊了,逮着一条鱼都能思辨一番,“子非鱼焉知鱼之乐”。

所以我不带耳机做实验。只是要努力克制自己做实验的时候跟人闲聊的冲动。

以上就是我的实验哲学,不见得适合每个人。但只要做我这个方向、打算跟我做实验,我都会不厌其烦好为人师一次。以后不教了,看这篇千字文就好。核心点:安全第一;批量做;不厌其烦。

2017/2/13, Mon

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *