近日，廣東全省科技創新大會召開，會上頒發了2021年度廣東省科學技術獎。中山大學航空航天學院教授胡玲玲與富明慧共同完成的“拉脹材料的力學行為機理與增強機制”獲得自然科學獎二等獎。
富明慧
從1996年起，還是在清華大學工程力學系做博士后期間，富明慧開始研究蜂窩材料，這為日后開展拉脹材料的研究打下了堅實的理論基礎。因從小就患有視網膜色素變性這種遺傳性疾病，富明慧經歷了從視力模糊到完全失明的煎熬。“當處在失明的臨界點，我陷入焦慮和痛苦中。為了節省眼力，我努力反復回想著知識點，在腦海中經常進行著建立模型、推導公式的工作。當真正失明后，我的大腦已經適應了這些建模和推導工作，這讓我反而變得坦然。”富明慧說。
因為好奇心、不服輸的勁頭和堅實的數理基礎，富明慧沒有被失明打垮。從研究拉脹材料到負熱膨脹材料等新型材料，他也正不斷踏入新的科研疆域。“失明肯定是個巨大障礙。但只要有興趣、有自信，盲人是完全可以開展科研工作的。”富明慧說。
揭秘神奇材料的力學行為機理和增強機制
拉脹材料是科學家正在研究的最有趣材料之一。自然界的大多數材料受到拉伸時橫截面將變小，而受到壓縮時橫截面將增大。而拉脹材料恰恰相反，具有受拉時其橫截面膨脹，而受壓縮時其橫截面收縮的力學特性。
所以拉脹材料擁有諸多獨特性能，優越的抗沖擊性能、抗斷裂韌性、優異的抗剪切能力等等。比如該材料被內置到跑鞋的鞋底里，當跑鞋撞擊地面時鞋底不僅不會被壓平反而會增厚，就可以很好地減小沖擊力。該材料同樣在海洋深水作業、制造太空飛行器等方面有很強的應用前景。
1987年，美國學者LAKES制成了世界上第一個人工制造的拉脹泡沫塑料，他發表在《科學》雜志上的成果開始引起學術界的強烈興趣。“以前人們以為只有自然界才有拉脹材料，這項成果發表時，人們才發現可以人工制造出這種材料，拉脹材料的研究從此成為熱點。”富明慧說，拉脹材料還處在基礎研究的探索階段，實現大規模的工程應用，還需要大量的研究工作。
拉脹材料所具有的獨特性能取決于其特殊的細觀結構。胡玲玲與富明慧針對拉脹材料的細觀結構與形變機理做了大量的研究工作。
富明慧論文中對蜂窩材料的研究，其中涉及大量的運算。
“這項研究的理論性很強，我們會先設想材料的微結構，然后用計算去驗證假設。驗證成功后，再用3Ｄ打印技術打印出模型，隨后通過實驗測試和數值模擬的方式來確認材料的新性能。有一些傳統理論無法描述新材料的新性能，我們也要去用理論去彌補其中的不足。”富明慧說。
普通材料是使用經典連續介質理論來預測其力學性能。胡玲玲和富明慧的研究則闡明了拉脹材料與連續介質的物性差異，揭示了用經典連續介質理論預測拉脹材料力學性能所存在的問題和局限性。
拉脹材料雖具有一些奇特的性能，但在強度、剛度方面卻不夠理想。他們的研究則揭示了拉脹材料力學性能劣化的細觀機理，提出軸力主導與彎曲主導組合的增強機制，有效解決了拉脹材料一直面臨的強度低、剛度小的難題。
此外，拉脹材料作為蜂窩材料中的一類，反映蜂窩材料等效彈性參數的Gibson公式形式簡單,得到了廣泛的應用。但該公式應用到數值有限元分析時，卻存在使計算不能進行的缺陷。他們的研究則克服了經典Gibson公式導致剛度矩陣奇異的不合理性，發展了考慮胞元坍塌效應和變形機制轉換的細觀大變形理論。
失明卻練就“腦內建模”本領
“我和胡玲玲教授的合作開始于8年前，這個獲獎項目的研究中，我們有各自獨立完成的部分，也有合作完成的內容。”富明慧說，胡玲玲教授涉獵面較廣，對國際研究動態了解更全面，所以在把握研究方向、凝練科學問題、論文寫作等方面做了很多工作。而自己因為失明的原因，主要在基礎理論的研究建模、公式推導上發力。
富明慧在接受采訪
“在與富老師的接觸過程中，發現富老師邏輯思路很清晰，并有很好的力學功底，尤其擅長靜態彈性理論，這與我所擅長的動態塑性和大變形理論形成了互補。這些年我們共同指導了十多名碩士生和博士生，取得了豐富的研究成果，我們的合作非常愉快！”胡玲玲教授表示，雖然富老師雙目失明，但一直堅持教學和科研工作，自己被他這種自強不息的精神所感動。
富明慧于1997年入職中山大學應用力學與工程系，此時他的眼疾已經特別嚴重。“當時我看一會書，眼睛就會疲勞。隨著病情的發展，我只能用放大鏡看書，一次只能看到一兩個字。看了半天一頁都翻不過去，心里也是很累。”富明慧說。
別人可以數遍研讀一篇文獻來獲取知識，富明慧的眼睛無法支持他這樣做。“因為視力的影響，我就盡可能看一遍，不斷停下回想剛才看到的內容，長此以往，我看一遍就把知識消化了。”富明慧說，隨著病情的發展，他大腦建模運算的能力竟訓練得越來越強。
視網膜色素變性是一種漸變式、不可逆的疾病。富明慧從小學階段就忍受著疾病折磨，他在研究生階段也已經有了預感——最終結局將是完全失明。但是處在失明的臨界點卻是最為痛苦，這種等待命運審判般的焦慮一度讓富明慧對人生產生疑慮。
“當時我已經來到中山大學工作，失明后我不知道是否還能繼續教學和科研工作。2001年完全失明后，壓力反而小多了。”富明慧說，自己能可以從記憶中找回大多數知識，個別時候讓家人學生幫忙讀一讀內容，保證自己能夠完成工作。
富明慧花在上課的心血很多。為了做到調理清晰，他首先要用電腦聽、靠家人或者學生讀的方式了解和熟悉講義，把授課內容熟記于心。他在家人和學生們的配合下，還要制成多媒體課件。在上課前，他還會把授課的過程反復排演，直至準確無誤。
富明慧通過“兩塊磁鐵”克服了板書的難題。
為了克服板書的難題。他和學生發明了“兩塊磁鐵”教具。在板書時，他只需要把第一塊磁鐵放在黑板的左側，以此為高度，從左向右書寫，寫完一行就把磁鐵下移一行。如果需要中間停下來做講解，那就把第二塊磁鐵放在停下的位置，給學生們講解后，摸到第二塊磁鐵就可以繼續板書。
沉醉于探索科學的過程
“腦內建模”的本領支撐了富明慧繼續科研和教學的自信。因為視力原因，富明慧主要從事偏理論的研究，他也可以不受時間地點的限制進行工作。
富明慧常會坐在椅子上思考，腦中則進行著復雜的運算，同時通過讀屏軟件等工具的輔助將自己的研究成果輸出在電腦上。為了閱讀科學文獻，富明慧會請自己的研究生將文獻念給自己，富明慧則會把文獻的精華指出給學生。“文獻的閱讀是我們師生互動的一個過程，我會指出其中的思路，強調那些值得我們學習和借鑒的地方，還會指出需要進一步深入探索的地方，由此擴展自己和學生們科研的思路與方法。”富明慧說。
富明慧在電腦前工作，他的屏幕是對著自己的學生。
這種特殊的教學和科研方式，讓師生雙方都受益頗多。“我們自己去讀文獻，會錯過很多重要的細節。但當我們讀給富老師聽時，富老師會給我們提示很多自己想不到的東西，這對學生加深理解知識很有幫助。”富明慧的博士生黃靖翔說。
黃靖翔自從2018年起就是富明慧的碩士研究生，像他這樣跟著富老師碩博連讀已經有十多人了。黃靖翔說，富明慧清楚地記得每位學生課題的進展，并常常致電學生督促學習并隨時解答疑問。
“給富老師匯報時，你根本無法漏過一點小細節。因為富老師非常嚴格，會不斷追問每個關鍵點。我們在他面前一點也馬虎不得。”黃靖翔說。
對科研的嚴謹，來自富明慧從小對科學的興趣。“每當學到一些新知識，解決了好奇的問題。這種滿足感會驅使我去了解新的未知領域。”富明慧說，科研成果或許也很重要，但是他最沉醉于探索科學的過程。所以長期研究常規材料的他，能夠以同樣的熱情投入拉脹材料等新材料的研究。
失明不是翻不過去的大山，因為富明慧心中有自己的燈塔。他從小從書本上了解到瑞士數學家萊昂哈德·歐拉的故事：歐拉為后人留下了初等幾何的歐拉線、多面體的歐拉定理、數論的歐拉函數、變分法的歐拉方程、復變函數的歐拉公式等重要常數、公式和定理，并在雙目失明后研究變得更加高產。富明慧在莫斯科大學留學讀博士時，大學里也曾經有過一位名為列夫·龐特里亞金的盲人數學家，十幾歲就失明的他研究微分對策，發展了最優控制理論。
“人常會有堅持不下去的時候，我就會想到歐拉、龐特里亞金。他們同樣是失明，也許在更困難的條件下，仍做出舉世矚目的科研成果。這是一種激勵，我所處的環境條件比他們那時更好，我更有理由堅持下去。”富明慧堅毅地說。
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