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風(fēng)干的果實、精巧的花瓣
萎縮的大腦、老化的飛機蒙皮
日常生活中的各種褶皺
是復(fù)旦航空航天系教授徐凡
做研究的靈感來源
留法6年，入職復(fù)旦
這位“85后”科學(xué)家
扎根基礎(chǔ)研究、拓展學(xué)科邊界
取得一系列重要原創(chuàng)性科研成果
憑借在力學(xué)學(xué)科前沿和
服務(wù)國家重大需求等
科技創(chuàng)新中取得突出成就
今天（6月15日）
徐凡被中國科學(xué)院力學(xué)研究所和
中國科學(xué)院大學(xué)教育基金會授予
首屆“錢學(xué)森杰出青年獎”
發(fā)表獲獎感言時，他說
'錢學(xué)森先生的精神將不斷激勵我
在基礎(chǔ)研究、原始創(chuàng)新的
道路上繼續(xù)前行”
研究“起褶子”問題
他是專業(yè)的
“我就是貼膜壓褶的。”從事軟薄膜失穩(wěn)力學(xué)研究的徐凡，時常這樣與人打趣。
輕質(zhì)薄膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是重要的科學(xué)和工程問題，也是固體力學(xué)的關(guān)鍵問題之一，對結(jié)構(gòu)、器件性能和功能至關(guān)重要。薄膜失穩(wěn)現(xiàn)象指劇烈的形貌改變，可以簡單理解為“起褶子”。
從飛機蒙皮褶皺失效到病變大腦失穩(wěn)萎縮，各種尋常不過的“起褶子”問題，蘊含著復(fù)雜的力學(xué)機制。徐凡的研究目標(biāo)，就是要回答“為什么會起褶皺？如何調(diào)節(jié)褶皺？”等問題。
在徐凡的辦公室書架上，多年來一直珍藏著幾個皺巴巴的百香果。正是這毫不起眼的風(fēng)干百香果，出現(xiàn)在了2022年10月Nature Computational Science封面上。那是復(fù)旦教師在此期刊發(fā)表的第一篇封面文章。
徐凡、馮西橋教授等在 Nature Computational Science 上發(fā)表題為Chiral topographic instability in shrinking spheres 的研究論文
這源于幾年前，清華大學(xué)工程力學(xué)系馮西橋教授的辦公室內(nèi)放著一箱百香果，過了很久才想起來打開。他發(fā)現(xiàn)，失水萎縮的百香果表面有一種螺旋鏢狀形貌，順手拍照發(fā)給了徐凡。
“這個是前人沒有研究過的。”這引起了“褶皺專家”徐凡的濃厚興趣。
他也買了一箱新鮮百香果，開始做實驗，觀察它一周內(nèi)發(fā)生的變化；帶領(lǐng)團隊進行力學(xué)的理論建模計算，模擬百香果失水萎縮褶皺形貌的演化過程——從第一天表面光滑，到第四天形成一半順時針、一半逆時針的手性螺旋鏢，再到第七天出現(xiàn)了更為復(fù)雜的手性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)形貌……最終，揭示了收縮核殼結(jié)構(gòu)中的一種新穎的手性褶皺拓?fù)湫蚊布捌洚a(chǎn)生機制。
“大自然經(jīng)過億萬年的變遷演化，是最為精妙的。”徐凡時常感嘆，大自然就是最好的老師。在他的眼中，自然界不同生命結(jié)構(gòu)都展現(xiàn)出了環(huán)境自適應(yīng)的有趣形貌，蘊藏著生長、萎縮、曲率與褶皺等方面的力學(xué)原理，總有探究不完的科學(xué)奧秘。
比如荷葉——曾在江灣校區(qū)散步的徐凡，被池塘里的荷葉吸引——浮在水面上的荷葉邊緣有小小褶皺，完全離開水面、亭亭玉立的荷葉則褶皺波長更大，而有些扇形的睡蓮卻完全沒有褶皺，這是為什么？
原來，荷葉等許多植物都會利用水面浮力，來控調(diào)自身形貌。深入探究后，徐凡發(fā)現(xiàn)了水基底影響軟薄膜生長形貌的新機制，并建立了理論模型預(yù)測生長形貌演化。該研究在2020年發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Physical Review Letters，并入選封面文章和“編輯推薦”。
2020年，徐凡團隊關(guān)于關(guān)于水（液體基底）對植物葉片生長形貌演化影響的研究成果以封面文章發(fā)表于Physical Review Letters
還有廚房角落里的辣椒，失水后會彎曲變形并出現(xiàn)六邊形褶皺斑圖。這類結(jié)構(gòu)廣泛存在于自然界，大到宇宙星系，小到水母、線蟲，都有變曲率環(huán)形核殼結(jié)構(gòu)。
變曲率到底如何影響生長或失水軟物質(zhì)形態(tài)發(fā)生？徐凡團隊建立了基于微分幾何的核殼模型，揭示了自然界中普遍存在的環(huán)形核殼結(jié)構(gòu)變形后，其表面產(chǎn)生多相共存褶皺斑圖的內(nèi)在機制，發(fā)現(xiàn)了變曲率調(diào)控核殼表面多相失穩(wěn)模態(tài)的關(guān)鍵無量綱參數(shù)。
保持好奇心
相信“無用”之“大用”
在很多人看來，徐凡的“褶皺研究”自成一派。“你的研究有什么用”，成了他時常要面對的問題。
“基礎(chǔ)研究往往就是推理公式、總結(jié)機制，或許你會覺得不夠‘解渴’，但正是這些理論性成果，最好地詮釋了自然現(xiàn)象背后的普適規(guī)律，構(gòu)建起科學(xué)世界最根本的基石。”徐凡認(rèn)真答道。
“只有通過源頭創(chuàng)新，才能解決那些卡脖子的關(guān)鍵技術(shù)問題。而真正的源頭創(chuàng)新，就是向自然學(xué)習(xí)。”
徐凡立志要做原創(chuàng)性、顛覆性研究，哪怕這類研究不以當(dāng)下應(yīng)用為目的，“但是‘無用’恰恰能有‘大用’”。
面對研究周期長、不確定因素多、出成果較慢、成果轉(zhuǎn)化難等壓力，徐凡坦言，做基礎(chǔ)研究就像坐過山車，偶爾有高峰，更多是低谷，自己堅持下去的最大動力，就是一顆簡單純粹、不帶任何功利的好奇心。
時至今日，這位青年科學(xué)家講起“牛頓被蘋果砸中腦袋”的故事，眼中依舊閃爍光芒：
“我相信，當(dāng)年蘋果砸在牛頓頭上，牛頓也沒想過怎么用，只是思考蘋果為什么會落下來這個本質(zhì)問題。幾百年過去了，牛頓三大定律仍舊適用，且影響了整個物理學(xué)、天文學(xué)和工程學(xué)……”
從小到大，徐凡都是學(xué)習(xí)刻苦、成績優(yōu)秀的好學(xué)生，但絕非傳統(tǒng)意義上的書呆子。他不愛死記硬背、機械“刷題”，倒是經(jīng)常會有些稀奇古怪的想法，敢于想別人所不敢想。在武漢大學(xué)念本科，徐凡的畢業(yè)論文獲得了湖北省優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文，那是他第一次接觸科研。
“法國人有重視基礎(chǔ)研究的文化傳統(tǒng)，歷史上出現(xiàn)過很多大科學(xué)家。”本可以保研的徐凡選擇了“出去看看世界”，前往法國，先在巴黎高科國立高等工藝學(xué)校獲得固體力學(xué)碩士，又在三年時間內(nèi)從法國洛林大學(xué)的固體力學(xué)博士畢業(yè)。
讀博期間，徐凡師從米歇爾·波蒂埃·費里（Michel Potier-Ferry），成為他的“關(guān)門弟子”。米歇爾是法國計算力學(xué)領(lǐng)域大家，曾獲法國學(xué)術(shù)教育界最高榮譽“棕櫚葉軍官勛章”，曾擔(dān)任法國大學(xué)力學(xué)學(xué)會主席。
徐凡和老師米歇爾·波蒂埃·費里（Michel Potier-Ferry）合影
六年留學(xué)時光，對徐凡而言意義非凡。米歇爾對他采取了“放牧式”的培養(yǎng)方式，讓他可以在科學(xué)的廣闊天地恣意馳騁，“就像一只羊，在草原上隨便吃草，吃花也行，就是自由探索，喜歡什么就去研究什么。”
徐凡偶然讀到一篇研究人類皮膚褶皺的論文，生發(fā)出好奇，便開始了研究。在米歇爾的指導(dǎo)和鼓勵下，徐凡以第一兼通訊作者的身份發(fā)表論文，從此踏上了軟薄膜力學(xué)的漫漫研究之路。
讓米歇爾欣慰的是，徐凡不僅將他對于非線性問題求解的數(shù)值漸近法運用到不同的物理、生物力學(xué)場景當(dāng)中，更進一步改進并擴展了該方法。
種好自己的“果樹”
做原創(chuàng)性顛覆性研究
“生命中充滿了力。只要有形狀的地方，就有力在發(fā)揮作用。”自然界豐富有趣的薄膜失穩(wěn)現(xiàn)象，吸引著徐凡忘我地探索揭示生命體中力學(xué)的普適規(guī)律。
在復(fù)旦開放包容、重視基礎(chǔ)研究的學(xué)術(shù)氛圍吸引下，徐凡2015年底回國，進入復(fù)旦大學(xué)擔(dān)任青年研究員，并在三年后成為學(xué)校最年輕的教授之一。
由于褶皺存在于生物、材料、醫(yī)學(xué)等各種領(lǐng)域，徐凡的研究也充滿交叉色彩。他與來自各個學(xué)科的學(xué)者開展合作，鉆研各類復(fù)雜的薄膜失穩(wěn)問題，為新型材料、結(jié)構(gòu)和功能器件研發(fā)等提供扎實的理論依據(jù)。
在復(fù)旦這片創(chuàng)新沃土之上，徐凡帶領(lǐng)團隊開展一個又一個有趣又可行的研究課題，手把手培養(yǎng)出了一批優(yōu)秀畢業(yè)生，其中既有同濟大學(xué)助理教授、華為工程師，也有“博新計劃”獲得者、上海市“超級博士后”。
徐凡和學(xué)生合影
如今，在徐凡建立的智柔體設(shè)計與制造實驗室，你可以看到各種縮水的果實、仿生的植物。基于百香果的研究發(fā)現(xiàn)，團隊正在研制一款類似機器貓爪的智能軟抓手，可以精確抓起細(xì)小的黃豆、堅果、玻璃碎片，未來有望應(yīng)用于清理太空中微小的垃圾顆粒，防止它們損壞航天器……
徐凡團隊研發(fā)的一款褶皺拓?fù)湫蚊仓悄苘涀ナ?span style="display:none">8bI即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
2021年，上海市政府推出《關(guān)于加快推動基礎(chǔ)研究高質(zhì)量發(fā)展的若干意見》的創(chuàng)新舉措，建立“基礎(chǔ)研究特區(qū)”，旨在選擇基礎(chǔ)研究優(yōu)勢突出的高校和科研院所，面向重點領(lǐng)域和重點團隊給予長期、穩(wěn)定的支持，引導(dǎo)科研人員心無旁騖地從事前沿探索。
復(fù)旦大學(xué)入選首批三個“基礎(chǔ)研究特區(qū)”之一，獲得市政府每年2000萬元、持續(xù)5年的資助。首批資助17個項目中，就有徐凡申報的“宇航光帆薄膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與智能調(diào)控”項目。
這個頗有科幻色彩的項目靈感，來源于霍金2016年提出的“突破攝星”計劃——研制一款帶有光帆的微型飛行器，用地球上發(fā)射的激光推動數(shù)千個飛行器，使其加速到光速的五分之一，飛往4.24光年外的半人馬座α星，探測那里是否有可容納生命的類地行星。
十多平米大小的宇航光帆，厚度僅100微米、重量僅幾克，如何在高速運動的情況下控制其結(jié)構(gòu)強度、韌性和穩(wěn)定性？徐凡希望能通過主動調(diào)控曲率抑制其褶皺，防止激光反射方向不規(guī)則變化而導(dǎo)致飛行器偏離航線。
這么“天馬行空”的想法能通過審批，令徐凡倍受激勵，更為堅定了作為青年一代堅持走自主創(chuàng)新道路、服務(wù)科技強國建設(shè)的初心。
他借用復(fù)旦大學(xué)校長金力的話說，“靜心‘種好自己的樹’，而不是光摘‘別人樹上剩下的果子’”，盡管這個過程漫長艱辛，甚至可能失敗。
“雖不能至，心向往之”，是徐凡所追求的至高境界。正如他時常勉勵學(xué)生，再難再累，也不要心浮氣躁，更不能熄滅內(nèi)心深處照亮靈魂的星星之火——對于科學(xué)的熱愛、對真理的向往、對卓越的追求。
“回歸本真，追問本質(zhì)。哪怕我們不一定能解答，但是永遠(yuǎn)試圖離它更近。這是每個從事基礎(chǔ)研究的人的夢想。“
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