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盲人教授获得广东省科技奖:心中有灯塔,凭记忆和心算也要奋斗

信息来源:广州日报 时间:2022-04-25 字体: [大] [中] [小]

  近日,广东全省科技创新大会召开,会上颁发了2021年度广东省科学技术奖。中山大学航空航天学院教授胡玲玲与富明慧共同完成的“拉胀材料的力学行为机理与增强机制”获得自然科学奖二等奖。

富明慧

  从1996年起,还是在清华大学工程力学系做博士后期间,富明慧开始研究蜂窝材料,这为日后开展拉胀材料的研究打下了坚实的理论基础。因从小就患有视网膜色素变性这种遗传性疾病,富明慧经历了从视力模糊到完全失明的煎熬。“当处在失明的临界点,我陷入焦虑和痛苦中。为了节省眼力,我努力反复回想着知识点,在脑海中经常进行着建立模型、推导公式的工作。当真正失明后,我的大脑已经适应了这些建模和推导工作,这让我反而变得坦然。”富明慧说。

  因为好奇心、不服输的劲头和坚实的数理基础,富明慧没有被失明打垮。从研究拉胀材料到负热膨胀材料等新型材料,他也正不断踏入新的科研疆域。“失明肯定是个巨大障碍。但只要有兴趣、有自信,盲人是完全可以开展科研工作的。”富明慧说。

  揭秘神奇材料的力学行为机理和增强机制

  拉胀材料是科学家正在研究的最有趣材料之一。自然界的大多数材料受到拉伸时横截面将变小,而受到压缩时横截面将增大。而拉胀材料恰恰相反,具有受拉时其横截面膨胀,而受压缩时其横截面收缩的力学特性。

  所以拉胀材料拥有诸多独特性能,优越的抗冲击性能、抗断裂韧性、优异的抗剪切能力等等。比如该材料被内置到跑鞋的鞋底里,当跑鞋撞击地面时鞋底不仅不会被压平反而会增厚,就可以很好地减小冲击力。该材料同样在海洋深水作业、制造太空飞行器等方面有很强的应用前景。

  1987年,美国学者LAKES制成了世界上第一个人工制造的拉胀泡沫塑料,他发表在《科学》杂志上的成果开始引起学术界的强烈兴趣。“以前人们以为只有自然界才有拉胀材料,这项成果发表时,人们才发现可以人工制造出这种材料,拉胀材料的研究从此成为热点。”富明慧说,拉胀材料还处在基础研究的探索阶段,实现大规模的工程应用,还需要大量的研究工作。

  拉胀材料所具有的独特性能取决于其特殊的细观结构。胡玲玲与富明慧针对拉胀材料的细观结构与形变机理做了大量的研究工作。

富明慧论文中对蜂窝材料的研究,其中涉及大量的运算。

  “这项研究的理论性很强,我们会先设想材料的微结构,然后用计算去验证假设。验证成功后,再用3D打印技术打印出模型,随后通过实验测试和数值模拟的方式来确认材料的新性能。有一些传统理论无法描述新材料的新性能,我们也要去用理论去弥补其中的不足。”富明慧说。

  普通材料是使用经典连续介质理论来预测其力学性能。胡玲玲和富明慧的研究则阐明了拉胀材料与连续介质的物性差异,揭示了用经典连续介质理论预测拉胀材料力学性能所存在的问题和局限性。

  拉胀材料虽具有一些奇特的性能,但在强度、刚度方面却不够理想。他们的研究则揭示了拉胀材料力学性能劣化的细观机理,提出轴力主导与弯曲主导组合的增强机制,有效解决了拉胀材料一直面临的强度低、刚度小的难题。

  此外,拉胀材料作为蜂窝材料中的一类,反映蜂窝材料等效弹性参数的Gibson公式形式简单,得到了广泛的应用。但该公式应用到数值有限元分析时,却存在使计算不能进行的缺陷。他们的研究则克服了经典Gibson公式导致刚度矩阵奇异的不合理性,发展了考虑胞元坍塌效应和变形机制转换的细观大变形理论。

  失明却练就“脑内建模”本领

  “我和胡玲玲教授的合作开始于8年前,这个获奖项目的研究中,我们有各自独立完成的部分,也有合作完成的内容。”富明慧说,胡玲玲教授涉猎面较广,对国际研究动态了解更全面,所以在把握研究方向、凝练科学问题、论文写作等方面做了很多工作。而自己因为失明的原因,主要在基础理论的研究建模、公式推导上发力。

富明慧在接受采访

  “在与富老师的接触过程中,发现富老师逻辑思路很清晰,并有很好的力学功底,尤其擅长静态弹性理论,这与我所擅长的动态塑性和大变形理论形成了互补。这些年我们共同指导了十多名硕士生和博士生,取得了丰富的研究成果,我们的合作非常愉快!”胡玲玲教授表示,虽然富老师双目失明,但一直坚持教学和科研工作,自己被他这种自强不息的精神所感动。

  富明慧于1997年入职中山大学应用力学与工程系,此时他的眼疾已经特别严重。“当时我看一会书,眼睛就会疲劳。随着病情的发展,我只能用放大镜看书,一次只能看到一两个字。看了半天一页都翻不过去,心里也是很累。”富明慧说。

  别人可以数遍研读一篇文献来获取知识,富明慧的眼睛无法支持他这样做。“因为视力的影响,我就尽可能看一遍,不断停下回想刚才看到的内容,长此以往,我看一遍就把知识消化了。”富明慧说,随着病情的发展,他大脑建模运算的能力竟训练得越来越强。

  视网膜色素变性是一种渐变式、不可逆的疾病。富明慧从小学阶段就忍受着疾病折磨,他在研究生阶段也已经有了预感——最终结局将是完全失明。但是处在失明的临界点却是最为痛苦,这种等待命运审判般的焦虑一度让富明慧对人生产生疑虑。

  “当时我已经来到中山大学工作,失明后我不知道是否还能继续教学和科研工作。2001年完全失明后,压力反而小多了。”富明慧说,自己能可以从记忆中找回大多数知识,个别时候让家人学生帮忙读一读内容,保证自己能够完成工作。

  富明慧花在上课的心血很多。为了做到调理清晰,他首先要用电脑听、靠家人或者学生读的方式了解和熟悉讲义,把授课内容熟记于心。他在家人和学生们的配合下,还要制成多媒体课件。在上课前,他还会把授课的过程反复排演,直至准确无误。

富明慧通过“两块磁铁”克服了板书的难题。

  为了克服板书的难题。他和学生发明了“两块磁铁”教具。在板书时,他只需要把第一块磁铁放在黑板的左侧,以此为高度,从左向右书写,写完一行就把磁铁下移一行。如果需要中间停下来做讲解,那就把第二块磁铁放在停下的位置,给学生们讲解后,摸到第二块磁铁就可以继续板书。

  沉醉于探索科学的过程

  “脑内建模”的本领支撑了富明慧继续科研和教学的自信。因为视力原因,富明慧主要从事偏理论的研究,他也可以不受时间地点的限制进行工作。

  富明慧常会坐在椅子上思考,脑中则进行着复杂的运算,同时通过读屏软件等工具的辅助将自己的研究成果输出在电脑上。为了阅读科学文献,富明慧会请自己的研究生将文献念给自己,富明慧则会把文献的精华指出给学生。“文献的阅读是我们师生互动的一个过程,我会指出其中的思路,强调那些值得我们学习和借鉴的地方,还会指出需要进一步深入探索的地方,由此扩展自己和学生们科研的思路与方法。”富明慧说。

富明慧在电脑前工作,他的屏幕是对着自己的学生。

  这种特殊的教学和科研方式,让师生双方都受益颇多。“我们自己去读文献,会错过很多重要的细节。但当我们读给富老师听时,富老师会给我们提示很多自己想不到的东西,这对学生加深理解知识很有帮助。”富明慧的博士生黄靖翔说。

  黄靖翔自从2018年起就是富明慧的硕士研究生,像他这样跟着富老师硕博连读已经有十多人了。黄靖翔说,富明慧清楚地记得每位学生课题的进展,并常常致电学生督促学习并随时解答疑问。

  “给富老师汇报时,你根本无法漏过一点小细节。因为富老师非常严格,会不断追问每个关键点。我们在他面前一点也马虎不得。”黄靖翔说。

  对科研的严谨,来自富明慧从小对科学的兴趣。“每当学到一些新知识,解决了好奇的问题。这种满足感会驱使我去了解新的未知领域。”富明慧说,科研成果或许也很重要,但是他最沉醉于探索科学的过程。所以长期研究常规材料的他,能够以同样的热情投入拉胀材料等新材料的研究。

  失明不是翻不过去的大山,因为富明慧心中有自己的灯塔。他从小从书本上了解到瑞士数学家莱昂哈德·欧拉的故事:欧拉为后人留下了初等几何的欧拉线、多面体的欧拉定理、数论的欧拉函数、变分法的欧拉方程、复变函数的欧拉公式等重要常数、公式和定理,并在双目失明后研究变得更加高产。富明慧在莫斯科大学留学读博士时,大学里也曾经有过一位名为列夫·庞特里亚金的盲人数学家,十几岁就失明的他研究微分对策,发展了最优控制理论。

  “人常会有坚持不下去的时候,我就会想到欧拉、庞特里亚金。他们同样是失明,也许在更困难的条件下,仍做出举世瞩目的科研成果。这是一种激励,我所处的环境条件比他们那时更好,我更有理由坚持下去。”富明慧坚毅地说。

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