卢天健的妻子 【2015三大奖】卢天健团队:破解“美丽泡泡”背后的疼痛力学奥秘
1月8日,2015年度国家科学技术奖揭晓。西安交大卢天健教授团队主持完成的“皮肤与牙热-力-电耦合行为机理”项目获得国家自然科学二等奖。这是西安交大卢天健教授、徐峰教授、林敏博士,和北京理工大学胡更开教授历经16年的合作研究成果。
求知,立足解决现实问题
“热-力-电耦合行为机理”看似深奥难懂,但其实与日常生活息息相关。皮肤烫伤、疼痛的同时表面还会起水泡,原因何在?牙齿受冷刺激产生的痛感要比热刺激大,又是为何?
简单的生活现象,背后蕴藏的是巨大的科学奥秘。尤其在当下,临床热疗、仿生和感知等技术在医疗领域显示出强大的应用前景。疼痛阻碍了热疗技术的应用,人机交互感觉的缺失制约了机器人和感知技术的发展。其中隐藏的科学问题是:冷、热疼痛的机理不明晰,感知缺乏统一的定量评价体系。
这个项目选取皮肤和牙组织作为研究对象,针对热-力刺激诱发疼痛的机理及其量化的瓶颈问题,建立了非傅立叶生物传热模型和组织的热-力-电多场耦合行为理论,揭示了牙齿冷、热疼痛具有显著差异的流体动力学机理,为有效指导临床热疗、仿生及感知技术在生物医疗领域的应用方案提供了理论依据,奠定了我国在生物组织热-力-电耦合理论方面的国际领先地位。
该研究成果在 Springer 出版社出版了疼痛力学领域第一本英文专著,在固体力学与固体物理学杂志等力学领域顶级期刊发表论文成为近五年引用次数最多的文章,部分成果获2014年高等学校科学研究优秀成果奖自然科学一等奖。
著名力学家、荷兰科学院院士 van der Giessen 评论称:“徐峰和卢天健的研究填补了皮肤在异常温度下产生力学性能变化以及相关热损伤的理论空白,这些创造性的研究及模型对皮肤疾病热疗起到关键性指导作用”。
创新,源于对未知的好奇
这是一个缘起于“美丽泡泡”的生活偶然。2003年的一个普通夜晚,卢天健来到鼎鼎大名的剑桥雄鹰(Eagles)酒吧——这曾是剑桥卡文迪什实验室的两位年轻学者产生灵感发现DNA双螺旋结构的地方。
此时的卢天健即将回国,他想要找点灵感,为回国做好准备。思考中,他走神了,烟灰不小心烫到了手背。两分钟后,皮肤起了一个泡,卢天健称之为“漂亮的半球形泡泡。”一个平常的生活现象,却引发了卢天健的无限遐思。“为什么皮肤被烫后会起泡?疼痛与力和刺激有什么关系?”他希望建立一种模型,定量描述这个过程。
卢天健找到了他在剑桥的“关门弟子”徐峰,问他是否有研究的兴趣。徐峰也是一个对未知有着强烈好奇的人。“听了卢老师的讲述,我觉得这个项目很新奇,也产生了探究其奥秘的愿望。”
随着研究的深入,他们发现北京理工大学胡更开教授关于复合材料的理论对研究有借鉴作用。同时,牙齿受热刺激的行为机理与此类似,胡更开、林敏先后加入团队,研究越来越系统化,并在大家的共同努力中,日臻完善。
突破,是团队能量的爆发
历时16年的研究取得突破,离不开项目团队的协同作战。这是一次团队能量的爆发,是一个由生活“偶然”走向科学研究的“必然”。
卢天健无疑是团队的核心人物。他长期致力于“超轻多孔材料”及“生物组织热-力耦合学”的基础和应用研究,是我国在这两个前沿领域的学术带头人和连续两个973项目的首席科学家,也是剑桥大学800年历史上第一位华人Reader和第一位工程技术领域华人讲座教授。
徐峰说:“当研究做到一定程度,就要考虑布局,若是没有全局观,工作很难做的有系统性。”而卢天健,正是这个团队组建人。据了解,徐峰、林敏都是卢天健的学生,而胡更开是卢天健多年的合作伙伴。
一个科研项目要顺利“开花结果”,需要团队每个成员都非常“给力”,大家分工明确,向着同一个目标前行。
在本项目中,徐峰主要针对皮肤组织的传热、热损伤、热疼痛及仿生皮肤组织等的交叉研究。他本科和研究生均在西安交大能动学院就读,2008年取得剑桥大学工程学博士学位,2011年放弃美国两所知名大学的offer,全职回国;北京理工大学胡更开教授是项目的“理论指导”,针对非均质结构复合材料,开展塑性细观力学、微纳观力学及热-力耦合研究;林敏开展针对牙体组织的热-力学特性及热疼痛机理的实验及数值模拟研究。
“科学研究需要顶层设计,只有站得高、看得远,团队协同作战,才能取得成功。”卢天健说。所以,团队在保持各自独立性的同时相互借鉴,逐渐形成了自己的“作战”方式。比如,每周开组会,及时解决存在问题;充分发挥学生的创造性;开设《如何做科研》课程,帮助学生掌握科研基本技能等。
其实,获奖名单之外还有许多“无名”英雄。学校和航天学院无论在平台还是经费上都给予了大力支持,为研究提供有力保障。还有不同学科背景的老师和历届学生,由于本项目属于前沿交叉领域,很多问题的突破口,都是不同学科背景的思维碰撞的结果,获奖的“军功章”里,离不开他们的付出。
攻克,在迎难而上的坚持
科研之路并非一帆风顺。本项目属于前沿交叉领域,涉及力学、传热学、生物力学、神经生理学等多个学科,而卢天健、徐峰、林敏则分别来自力学、多相流、材料不同学科背景,研究难度可想而知。
“最大的难点是不懂。”徐峰笑着说。刚起步的时候,完全从零开始。由于不同学科对同一概念的理解不同,徐峰为此闹过不少“笑话”。记得有一次,他们想从数学角度建立一个关于皮肤烧伤的模型,当时找医生要,结果医生给了他们一个动物模型。“我当时就傻眼了,又不好意思说。”后来找了一个两方面都了解一些的老师做“中间人”,对方才弄明白。
为了解相关学科知识,徐峰广泛搜集国内外论文1万多篇,在不到四年的时间里消化吸收。他的第一篇文章曾被20多家杂志社拒稿,原因是没有人从这个角度想过,觉得他们“异想天开”。但他和卢老师并不气馁,反复修改,最终这篇名为《皮肤组织的生物热力学》的文章发表在力学领域标志性的杂志JPMS上。
林敏也有同样的困难。“前半年是最痛苦的,这里面涉及的解剖学、神经生理学、传热学、固体力学、流体力学等,没一个是我懂的。”就为了“弄懂”,林敏从博士生重新当回了“本科生”,用了6个月将所涉及学科的本科教材全部“啃”了一遍。
是啊,学科领域不同,那就查文献,问专家;经费不够,那就想办法,把项目做起来再说。就这样,凭着一股对科研的热情和执着坚持的精神,大家一路走来,最终收获丰硕果实。
“对我们做科学研究的人来说,有时候困难和挑战是必须的,在科学上就要迎难而上。项目能够获奖,是一种肯定,更是一种激励。我们今后的研究将会继续瞄准世界学术前沿,立足解决国家重大需求,用知识报效祖国,用科技改变生活。”卢天健说。
