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王鹏:以数学为矛 解多领域难题
——记北京航空航天大学数学与系统科学学院、国际交叉科学研究院教授王鹏

作者:□ 王 涵  来源:科学中国人  发布时间:2018-11-05

导读:  王鹏在归国后构建了国际化的交叉性研究团队。他在保持原有合作关系的基础上,积极开拓新的学术朋友圈。合作伙伴来自数学、物理、能源、环境、机械等多个领域,既有初出茅庐的博士后,也有功成名就的行业前辈。这种多元化的构成也为团队中各位参与者提供了交流和碰撞的机会。

  ——记北京航空航天大学数学与系统科学学院、国际交叉科学研究院教授王鹏


  □ 王 涵
  
  
 

  
  当前,世界科技和产业格局正在孕育新一轮变革。大数据、智能制造和无线网络的重大发展,使得科学社会化和社会科学化的趋势日益明显,大科学时代已来临。
  在此背景下,北京航空航天大学(以下简称“北航”)瞄准国家战略需求和国际科学前沿,以人才培养为根本,以科技创新为目标,以国际视野为抓手,开展了“面向世界,根植中国”的一系列办学探索,2012年成立的北航国际交叉科学研究院就是这些探索中的一部分。坚持学术至上的研究理念,立足国际学术前沿,瞄准未来科技发展趋势,打破传统的院系设置与学科划分局限。目前,研究院已汇聚了一大批国内外顶尖科研人才,王鹏教授就是其中一位。2013年以“青年千人计划”加入国际交叉科学研究院的他,现已成长为这支专兼结合的国际化科研队伍中的骨干力量。
  

国外闯荡 与交叉研究结缘


  2013年回国前,王鹏在美国太平洋西北国家实验室任职研究员,算上之前的求学和工作,他在国外已度过了11个年头。
  谈起自己的求学背景,他用“复杂”二字形容。2000年进入北航计算机科学与工程专业攻读本科学位,在两年后偶然获得了著名中国专家李约瑟博士的母校——英国Oundle公学的教学机会,在国外闯荡的历程由此开启。
  在Oundle工作结束后,王鹏考取了历史悠久的英国杜伦大学工程学院,开始了4年本硕连读的学习时光。由于杜伦大学工程学院采取通识教育,所有大一大二的本科生不仅需要学习土木、电子、控制、电力、固体力学、流体力学、动力等所有工程领域的基础知识,还要掌握管理、施工等实际领域的基本概念,同时,也要在法语、德语、西班牙语、日语中选取一门作为日常沟通语言,这4年的学习和历练为王鹏后来从事国际化的多学科交叉研究打下了坚实的基础。
  杜伦大学工程学院也大力鼓励国际交流,2005年9月,王鹏被学院选为交换生,赴美国加州大学开展为期一年的交流学习。在此期间,授课教授丰富的学识及全面的交叉研究背景对他触动很大,这直接影响了王鹏日后对研究方向的选择。
  “我的多位老师都是数学、力学背景出身,但是这并不妨碍他们开拓多元化的研究领域。在美国交换的这一年,我发现不管是物理、地质、能源、环境的问题,其核心问题最终都可以归结为数学问题。所以攻读博士时我选择了计算科学,希望能学习更多数学手段,去解决更多学术领域的实际问题。”王鹏说。
  在攻读博士时,王鹏主要研究方向是不确定性量化,并在老师的带领下,以环境领域的问题为切入点,自主改进了不确定性量化数学方法中的PDF方法,并在此基础上提出了CDF方法,从概率分析角度解决了前人未曾顺利解决的若干随机方程求解问题。博士毕业后,他来到美国能源部太平洋西北国家实验室的计算数学组继续深造,参与到能源部智能电网的研究工作中。也正是在这里的工作使他更进一步地认识到,诸如PDF/CDF方法这一类以数学为基础的信息类研究方法在解决诸多工程技术问题中能发挥意想不到的作用,作为用于量化、预测人工/自然系统状态的工具,在新材料、可再生能源、航空设计、生物医学、大气建模、地下油气勘探、环境保护、软件系统设计、自动化控制、工业加工和生产等诸多新兴和传统科技领域都有广泛的应用前景。
  同时他也意识到,虽然不确定性量化近年来已经成为应用数学和计算数学最为活跃的研究领域之一,但是在当时的中国,这一方向的研究还相对滞后,很多工作还未开展,于是归国的念头开始在他心里萌生。“从2002年出国,我在国外呆了11年,亲眼见证了国家影响力的变迁,无论是整体的国力还是单纯的科研实力,中国一直处于上升的态势。伴随着中国综合国力的发展及高精尖产业的发展,我应该将自己所积累的各方面知识带回祖国,将它们用在更能发挥作用的地方,助推国家知识经济升级,也帮助更多像我一样的青年人出国深造,学习西方先进的科学技术与管理经验,报效祖国。”王鹏告诉记者。
  为接受更多的挑战,拥抱更多的可能,王鹏在入选中组部第十批“千人计划”的青年项目后,毅然放弃了美国能源部太平洋西北国家实验室的研究员工作,踏上了归国之路。
  

交叉研究 学科发展之必然


  母校北航是王鹏归国的第一选择。当时,时任北航校长的怀进鹏院士非常支持这些从海外归来的学子。“伴随着高等教育的国际化及国际科学研究的协同化发展,怀院士做校长后专门成立了国际交叉学院,大力引进留学人员归国,组建交叉研究的团队。这不仅在人事管理上为归国人员解决了问题,更将不同领域、不同知识背景的人聚在了一起,大家在交流之中,碰撞出了思想的火花,也聊出了我正在做的项目。”王鹏告诉记者。
  这个项目就是科技部原“973”项目、国家重点研发计划“材料基因工程关键技术与支撑平台”的重点专项“高通量自动流程材料集成计算算法与软件及其在先进存储材料中的应用”,这是王鹏与国际交叉学院的孙志梅教授在材料领域的共同合作项目。谈起项目的申请过程,王鹏说道:“孙老师属于材料学院,我属于数学学院,但同时我们又都属于交叉学院,经常在一起交流。在此过程中,她发现我做的很多数学方法对材料信息领域诸多实际问题的解决有很强的指导意义,不仅可以通过更快、更精确的计算方法替代部分现有的材料实验,也可以对相应结果的可靠性作出较好地量化、指导实验,能大量降低研发成本和周期,双方有很大的学术合作空间。可能也是因为我以前从事过交叉研究,而孙老师在计算科学领域也有很深的造诣,双方沟通起来很顺畅,可以说是一拍即合,在2017年时成功申请到了这个材料与信息领域的交叉项目。”
  作为项目的第二课题负责人,王鹏负责“高通量材料数据管理、可靠性分析与智能学习”的研究工作,联合中国科学院计算机网络信息中心和中南大学,针对国家急需解决的芯片问题,以相变/阻变存储材料为切入点,围绕实现两个“一半”(研发周期缩短一半,研发成本降低一半)、构建三大平台(高通量计算平台、高通量实验平台、数据库平台)的战略目标,旨在建立相关材料的计算数据与实验数据库,并开发面向新材料性能预测、具有共性的集成化大数据处理与智能学习模式,协助其他两个课题的计算材料团队及实验团队最终实现存储材料从原子到器件的全流程集成设计与制备。
  2017年,通过与材料领域老师和同学们的深入合作,王鹏的课题组已经在材料力学性质预测、热力学相图构建、靶材制备(粉末冶金)和器材疲劳预测等领域取得了重大突破,不仅在基础理论上提出并验证了一系列全新的共性算法,也在实际操作上开始了相关软件的编写,形成自主知识产权,以期协助材料专家发现性能更优的新型存储材料,增强我国在新材料领域的知识和技术储备,提升应对高性能新材料需求的快速反应和生产能力。
  除了在材料基因工程项目上的合作,王鹏与孙志梅教授针对材料领域的其他问题也开展了合作研究,涉及材料蠕变预测、热力学性质量化、多孔材料与涂层等多个方面。谈起这些貌似与数学、信息科学领域毫不相关的工作时,王鹏解释道:“现代科学已经发展了几百年,很多领域的具体问题可能已在其他领域得到了解决,所以不同知识背景之间的交流十分重要,例如蠕变预测的难点在本质上就与我们研究的数据同化问题十分类似,而多孔材料的核心是其局部几何结构对整体性质的影响,可以借用以前在环境研究工作者在复杂土壤结构上的研究经验。交叉研究的意义就在于,它不仅在知识上对不同领域起到了相互促进的作用,也能够解决国家关键领域的一些实际问题。回到材料基因工程之中,我们的目标虽然是材料研发,但却是运用大数据、人工智能、不确定性量化等数学与信息技术,协助材料工作者挖掘控制材料性质的潜在‘基因’,为促进高端制造业和高新技术的发展,实现‘中国制造2025’的目标做出贡献。”
  在其专业领域,王鹏回国后也开展了深入的研究。在承担国家自然科学基金委的面上项目“随机参数动力系统不确定性量化的PDF/CDF方法框架及其高效算法设计”中,王鹏扩展了之前在国外开发的PDF/CDF方法,从数值算法上做出了基础性的指导,大大提高了计算效率。在与美国斯坦福大学、美国生命科学领域权威机构——索尔克(Salk)生物研究所的合作中,上述算法为蛋白质聚合物聚集的演化提供了有效指导。同时,王鹏的团队也在模型不确定性量化、数据同化等方向做出了若干基础性创新。
  参与、承担的项目越多,王鹏也越发感觉到当下科研所面临的实际问题正变得前所未有的复杂,以至于原来单一领域的解决方法已经捉襟见肘。“我们一开始和澳大利亚国立大学能源系合作,希望解决发展中国家分布式太阳能的预测问题,但随着研究的深入,双方发现最核心的问题变成了天气预测、污染物分布等地球物理、地球化学上的问题。”而复杂问题的解决恰恰需要交叉学科的支持。为强调交叉研究的必要性,王鹏解释道:“人类的知识发展历程也是一个合而分、分而合的过程。复杂的实际问题往往涉及多个知识领域,首先需要将其孤立成若干个不同领域的小问题,分而治之,将相应的各个结果融会贯通后,再回到全局上解决原来的大问题;如果某一学科过分强调孤立发展,就可能会变成艺术,变成哲学,就无法有效解决眼前的实际问题了。”
  为此,王鹏在归国后也构建了国际化的交叉性研究团队。他在保持原有合作关系的基础上,积极开拓新的学术朋友圈。合作伙伴来自数学、物理、能源、环境、机械、材料、生物等多个领域,既有初出茅庐的博士后,也有功成名就的行业前辈。这种多元化的构成也为团队中各位参与者提供了交流和碰撞的机会。王鹏对此寄予厚望:“我们的研究团队立足于中华大地,要以国际的视野去解决具有共性的问题。”
 

挑战、感恩与回馈


  科学研究需要耐得住寂寞,是一个孤独的心路历程。而创新又为这孤独的旅程增添了不小的挑战与变数。“刚开始做科研时,很多前辈都告诉我这是一个自我折磨的痛苦过程。”王鹏调侃道。“随着研究的深入,我感到自己需要学习的东西很多,而且会越来越多。由于研究是个创新过程,我们不仅要与现有的成果有所区别、有所改进,也要在时间上比别人更快地做出来。虽然作出成果的那一刻十分兴奋,但是随即又会陷入紧张,担心结论错误、无法重复,所以又要不停地细致检验。也许正是这种矛盾的心态,让我们对自己的成果既要抱有信心也要抱以怀疑,才能在肯定与自我批评的循环之中坚定前行。”
  虽然每天要面对这样的挑战,但王鹏和他的前辈们一样,乐在其中。他说:“学习新的知识,解决新的问题,时间会过得特别快。就拿最近在做的材料基因工程来说,它需要数学知识跟材料知识的结合。想要做得顺利,就必须搞清楚用材料领域的方法目前是怎么做的,深入到计算的各处细节。所以我也要学很多材料方面的知识。幸亏之前有一些基础,这种温故而知新的感觉其实还挺好。特别是有了团队后,可以群策群力从不同方向解决问题,那种合作共赢的感觉更棒。”
  王鹏现有团队由3位在读博士生、4位在读硕士生、1位已毕业的硕士生组成,规模虽不大,战斗力却很强。作为团队的领头雁,王鹏希望团队的每个成员都能一直保持对知识的饥饿状态,都能有很强的求知欲并且都有为解决问题废寝忘食的精神。谈起这些,王鹏说:“学位固然很重要,但我还是希望他们别只把科研当成养家糊口的工具,而是作为真正的兴趣去做。因为我们每天都会遇到难题,如果没有很好的自我驱动力和对知识的欲望,要做好科研工作会很困难,这个过程会很痛苦。”
  一路走来,王鹏感到自己的成长离不开好心人的帮助。“我获得赴英工作的机会时,曾为是否留在北航完成剩下两年的学位而犹豫;那时学院院长与书记得知情况后,全力支持我出国探索。而来到英国后,Oundle公学的教务主任Couzens先生在生活和工作上非常照顾我,帮助我在语言沟通、风俗习惯上迅速融入这个建校450多年的老牌寄宿制学校,也及时了解了学校各项规章制度和当地法律,完成了学生到老师的角色转换。”在杜伦大学读书期间,王鹏的几位英国朋友和他们的亲属也对他很照顾,特别是“在西方举家团圆的日子里,让我在异国他乡感受到家的温暖”。由于2005年伦敦地铁的恐怖袭击大大延缓了赴美签证的申请,在抵达美国加州大学圣地亚哥分校时,学校已经开课一周,全部课程都已爆满。面对无课可选、学业可能滞后的窘境,时任系主任的Linden教授给予了王鹏很大的帮助,“他不仅让我能选上他的基础力学课,也允许我加入团队做大制度环境流体运动的研究”。正是在那段宝贵的时间中,王鹏得以接触世界前沿的科学研究,也了解到一个优秀的科学研究报告需要用浅显易懂的语言向听众呈现。也是在Linden教授的引荐下,王鹏认识了对他人生影响最大的博士导师。
  王鹏的博士导师Tartakovsky教授来自苏联,最初从事力学研究,1992年到美国读博士后,研究领域拓展到环境、能源、电池、生物材料等方向,他交叉性的思维方式对王鹏的影响深远。谈起导师,王鹏满是尊敬和感激:“他总是能找到不同学科的共性问题,举一反三,扩展基础方法的应用范围。那时候我有很多数学方面的课,和本科就是数学专业的同学相比,感觉很吃力,甚至考虑是否应该换个专业。他跟我说,‘任何人对任何领域的知识只要花时间都可以成为专家,并不在于谁更聪明。我作为你的博士导师,不是要教你怎么积微分这些技巧,前人已证明的知识你自己看书就行;我要教你的是如何找到有意义的未知问题’。”正是导师的这番话,让王鹏坚持下来打好基础,也坚定了他独立自主、摸石头过河的研究态度。
  在王鹏眼中,他的导师身上有很多闪光点,聪明、善良、勤奋、博学,看问题视角独特,又有很多良好的习惯,在诸多方面为王鹏树立了榜样。“我导师的母语是俄语,没来美国前德语是他掌握的唯一一门外语。虽然他刚到美国时语言表达和写作上都很困难,但每天上课都会带着一本英俄字典和专业词典,下课就抱着它们去问老师。他的科研文章结构清晰、文笔犀利、逻辑流畅,读起来感觉和普利策奖的获奖作品一样,深入浅出,全然没有科研论文的压力”。Tartakovsky教授也是一名多产的科研工作者,“我们是导师的第一批学生,在还没有上手科研的时候,他一个人每年就能在各行业顶级期刊上发表10篇以上的论文。那时大家很奇怪,后来一次周末去学校加班时,才知道他也是每个周末都在学校办公,所以越发感到勤奋是成功的基本要求,自己需要加倍努力,不能落后。”Tartakovsky教授也博学多才,“我们闲暇之余聊天时,不管什么领域,近到时事政治,远到考古历史,雅到古典与文学,俗到社会与饮食,导师都有所涉及,并能给出独立的见解。所以我每次压力很大,必须多读书去丰富自己的知识,这样和老师在一起才不会尴尬”。王鹏笑到。也许正是在这个榜样旗帜的引领下,王鹏得以用3年半的时间完成了美国加州大学的硕博学位。
  在完成11年的海外留学与工作后,王鹏又在当初支持他出国的北航计算机学院院长、怀进鹏院士的帮助下,回到了母校,成为了一名教育科研工作者。“我在人生的旅途上有幸认识了很多老师,我目前的成就与他们的帮助是分不开的;现在我作为一名老师,也希望将此传承下去,帮助我身边的学生,尽可能地为他们创造国际化与交叉化的深造机会。”王鹏鼓励学生多出去交流,只要能拓宽学生视野,能跟国内外学术大咖有接触的机会,他都非常提倡。他以自身的经验来看,这些国际化交流不仅能提高学生的沟通能力及文化上的理解力,更能让学生迅速了解到国际上最新的研究动态,具备国际视野。王鹏也先后帮助4名北航数学学院的本科毕业生成功申请到美国前100名大学的博士奖学金,分散于能源、数学与计算等不同领域。“知识是没有国界的,我也要求学生立足国内问题,放眼世界。在这个过程中,我作为他们的师长,本身得益于国际化、交叉化的学术环境,也希望他们从中受益。”王鹏如是说。
  王鹏克服困难的勇气和提高自我的动力,来源于前辈的鼓励与提携,有了他们全心全意的帮助,他才得以迅速成长。对于科研,王鹏不敢有丝毫懈怠,除数量上的提高外,他更关注质量上的提高。对于一些项目,王鹏并未急着去申请,他觉得刚回国的年轻人还是应该以科研为本,因此他愿意花更多的时间在解决问题上。
  对于未来,他已有了一些计划。2019年和孙志梅教授合作的“973”项目会迎来一个中期答辩,他们期待具体实现预想的成果,用信息技术去发现新的材料,从而缩短传统材料的研发周期。他也希望申请国际合作基金,引入国外的头脑来解决中国问题,这之中也为祖国培养一批具有国际视野的高端人才。当然,这些都是他的短期计划,谈到长远目标时,他笑着说:“世界变化越来越快,计划赶不上变化。但是千里之行始于足下,先完成好当下的任务,完成一个个小目标,以后的路才能越走越宽。”
  不急不缓,扎实前行,或许正是王鹏的人生态度吧!

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