——记上海大学力学与工程科学学院教授姚文娟

谢更好

 

 

已过花甲之年的姚文娟，脸上丝毫不显岁月蚀刻的痕迹。接受采访的这天，她如往常一样，挽着整洁的发髻，穿着简洁的白衬衫，只在领口简单地系了条绿色丝巾，就让整个人精致了起来。

这位上海大学力学与工程科学学院、上海市应用数学和力学研究所教授、博士生导师，有着江南女子般的柔美、婉约，而她半生的经历却透露出骨子里的果敢、坚毅：从重庆到江苏，从江西到上海；从结构工程到流体力学，从固体力学到生物力学……半生求索，半生跨界，每一次转折却都不是因为命运被迫随波逐流，而是姚文娟自己做出的笃定选择。寻常人甚至很难定义姚文娟的研究究竟属于哪一个领域，但毫无疑问的是，她是一个真正的被理想所驱动的人，一个身心都栖息于科学世界的人。

 

追寻

冲破舒适区屏障

 

姚文娟是恢复高考后的首届大学生，是高中毕业后由城市到农村插队的知青。那时，这个从农村走出的女娃娃凭着一股不服输的劲头，考入了重庆大学结构工程专业。大学毕业时，她已经25岁了。毕业后，她按照大多数人的成长轨迹，循规蹈矩地参加工作、成了家。1982年元月，她回到老家，被分配到江西省交通设计院，从事公路及水运交通、房屋建筑方面的结构工程设计科研工作。在这里，一贯优秀的她，在设计院继续绽放着光芒：她先后主持国家重大工程项目及省部级大型重点工程项目3项，还主持了1988年单项投资达到3.8亿元的国家重大工程——信江航运工程界牌枢纽项目。在设计院工作的10年间，姚文娟逐渐成为中流砥柱，前途一片光明。

然而就在生活的坦途铺展在姚文娟的脚下时，一眼望得到头的顺遂却让她不安起来。“我心里其实一直有个读研究生的梦。”

年近而立，家庭美满，事业节节攀升——围城之内的姚文娟不停叩问自己：人生就仅此而已了吗？孩子出生后，姚文娟决定勇敢直面自己内心的声音，走出围城，去追逐读研的梦想。“单位一直不放我走，他们说‘你的水平不用读研究生’。”素来有决断的姚文娟决定和单位脱离关系，不拿一分钱工资去考研。最后，靠着教育部提供的奖学金，姚文娟再次迈进大学校园，来到河海大学，攻读当时全国排名第一的水利学和河流动力学专业，打下了扎实的流体力学基础。

回归学术殿堂的姚文娟一发不可收，随后，她又考入上海市应用数学和力学研究所，攻读固体力学专业博士学位。“来到上海那年我已经40岁了。对我来讲，我抛弃了原来设计院的工作，抛弃了在工程领域已有积淀的发展路线，完全从头开始从事理论研究。”就算是在熟悉姚文娟的亲朋好友的眼里，她的许多选择都是不被理解的，但她却始终清楚自己追寻的是什么。在实现科学梦想的道路上，她冲破重重屏障，心底的热爱让生活越发热烈滚烫起来。

1998年，姚文娟通过人才引进，进入上海大学土木工程系从事教学及科研工作，从此正式开始了她用理论指导实践的生涯。

 

馈赠

积跬步以至千里

 

来到上海大学后，姚文娟便逐渐走上了交叉学科发展的道路。上海国际航运中心洋山深水港四期工程就是这样一个让她充分发挥交叉学科背景优势的项目。

在现代社会，随着资源的短缺，建筑物开始向深海发展，洋山深水港就是一个探索利用深海资源的尝试，也是备受国内外关注的重大工程。这样一个风大浪急、水深软基的超大深海工程，其基础超长高桩的设计和建造都无先例。

“它的桩侧摩阻力和我们通常桩是完全不同的，在波浪循环荷载的作用下，土体强度会产生软化，而且码头有大量堆货，会产生很多负摩阻力。以往我们靠正摩阻力提供承载力，这时如果不考虑负摩阻力就会有很大的安全隐患，因此研发了负摩阻力计算理论。”姚文娟所说的就是她主持开展的“沿海恶劣环境下的超大海工结构基础超长高桩的理论体系和计算设计方法”。

在研究中，针对超大型海工基础超长桩桩侧土体摩阻力上部软化、深部强化的实测发现，姚文娟团队提出了吻合实际工况的最新的上部软化的荷载传递及深部强化的荷载传递模型。除此之外，他们还自编了相应的计算程序，解决了通用软件无法考虑基础周围土体软强化的计算问题。通过和实测数据对比，他们提出的模型计算结果相对以往的方法，更吻合实际工程，其计算精度提高了20%。

考虑港口工程中大量堆货工况导致桩侧负摩阻力增大的特点，姚文娟推导得到堆载作用下超长桩与土体的位移及应力的矩阵表达式，提出并研发出系统的理论计算方法及适用于非线性大变形分析的数值软件，解决了深厚饱和软黏土地基下深海港工基础超长桩缺乏理论支撑及计算方法的瓶颈问题。上述成果发表在土木工程国际期刊《国际地质力学杂志》（International Journal of Geomechanics-ASCE，封面文章），同时她还公开发表系统完整的专著以及大量有影响力的论文。

姚文娟还开发出在役工况下深厚饱和软黏土超大海工基础超长群桩动力响应分析模型，结果与现场测试高度吻合，其论文发表在土木工程国际期刊《海洋工程》（Ocean Engineering）及中国科学院TOP期刊《应用数学建模》（Applied Mathematical Modelling）上，解决了精准有效地计算分析实际工程中超大海工基础与周围土体在反复的循环荷载作用下的动力行为难题。

现在，洋山深水港四期工程运行已有十几年时间，经姚文娟团队参与的设计方案通过了时间的考验。这其中最让她欣慰的是，自己的理论研究能够在这样重大的对外贸易工程中发挥作用，兜兜转转，当年从工程实践转向理论研究，如今她又用自己的理论反哺了工程。这份惊喜是命运给予奋力拼搏的人的最好馈赠。

 

跨界

开拓疆域的气魄

 

在上海大学任职期间，姚文娟发挥所长，参与了不少重大工程的建设，包括很多享誉国内外的上海超高层建筑及东海大桥项目等。其中她主持国家自然科学基金项目、国防重大科研课题、国家“十五”科技攻关重大项目子课题，上海市航运攻关课题，以及应用研究课题等共26项。2000年以后她发表学术论文200余篇，《科学引文索引》（SCI）收录100余篇；主撰及主编出版专著4部；发明专利及软件著作权20项。由她承担子课题的国家“十五”科技重大攻关课题“生态用水计算关键技术研究”获国家科技进步奖二等奖，主编的《土木工程概论》2022年获全国优秀教材奖二等奖。

已经在结构工程领域取得如此多成果的姚文娟没有想到，一次偶然的机会让她的研究方向再次转向，使她踏入了生物结构的研究天地。

2007年，一位在复旦大学中山医院五官科做研究的朋友，向姚文娟提起了自己的困惑。“当时他正在研究耳蜗结构，他感觉单纯运用医学知识很难取得研究上的突破。他说的问题正是和力学相关的，力学是物理的一个大分支，我觉得生命科学里面有很多问题就是和力学相关的，而我就是学力学的。”姚文娟一语道破了朋友遇到的难题——声波激励下的动力学问题。也正是这次谈话促使姚文娟再次下定决心，涉足生物结构领域的研究，开拓自己的科研疆界。

此时，已是团队领头人的姚文娟想转换研究方向并不是一件容易的事。“有的学生不愿意做生物结构研究，只想做土木工程研究。”即便困难重重，姚文娟却依旧如年轻时一样，一旦决定了航向便坚定地前行。这时，她遇到了自己在科研上的同仁——梁俊毅和学生马剑威。

梁俊毅本硕博均毕业于南京大学物理系，当时南京大学的物理专业在全国排名第一，梁俊毅在那里打下了扎实的基础。他的研究方向是生物物理，这正是姚文娟当时急需的，他俩一拍即合。马剑威是姚文娟的硕-博学生，他从硕士的土木专业转向博士的生物力学领域。他们开始了对耳蜗主动感音机制等的相关研究。

 

闯关

挑战“无声”难题

 

这是一项具有重要现实意义的研究。

耳聋是一种常见的人类感觉系统障碍性疾病，全球有3.6亿人患耳聋疾病，中国患者高达2780万，且逐年显著增长，耳聋严重威胁着人类的健康和生活。然而听力重建和修复却一直是人类悬而未决的问题。

为了吃透这项研究，姚文娟对这一疾病进行了深入的了解。据她介绍，耳聋主要分为感音神经性、传导性和混合性三类，而这其中感音神经性耳聋占到绝大部分，且65岁人群的患病率高达50%。感音神经性耳聋源于耳蜗、前庭蜗神经或中枢听觉系统的异常，其中尤以耳蜗的感音病变为主。这是一种迄今无法治愈的疾病，传统治疗多采用辅助式助听设备和手术植入式人工耳蜗，只能部分改善患者的听力和言语交流能力，并未实现人耳听觉功能的自主修复。

此前，姚文娟的朋友正是因为对内耳感音机理的研究多基于单纯的医学或生物学方法，对内耳感音机制中涉及的流-固-电多物理场耦合行为特征认识不够，导致研究陷入了瓶颈。因此，她认为必须从机理分析入手，以多学科交叉的思维，基于生物力学、生物电学和医学的原理，从宏观到微观不同的视角，构建全新的耳蜗模型，探索耳蜗感音机制中的关键结构——基底膜、盖膜及毛细胞在电生理环境下与淋巴液的流-固-电多物理场耦合作用行为特征，从而认知耳蜗的主动感音机理，从根本上解决目前耳蜗临床医学上所面临的问题。

在研究过程中，姚文娟课题组基于数学物理及生物学等多学科理论，巧妙地利用张量映射方法，推导出空间螺旋耳蜗中淋巴液与基底膜的流-固耦合运动控制方程，建立了吻合真实人体的空间螺旋形体耳蜗宏观结构的力学理论解析模型和数值模型。基于理论解析和数值分析，他们惊喜地发现，耳蜗宏观支撑结构基底膜在低频下存在一种新的运动模式——驻波振动（迄今为止未见报道）。这一发现突破了诺贝尔获奖者盖欧尔格·冯·贝凯希于1960年通过实验提出基底膜的行波运动理论的局限性，由此诠释了低频感音机制和行波理论不能解释的许多近代实验现象。

对于姚文娟来说，这是一场奇幻的科研旅行。每当她在研究中发现不可思议的现象时，就会向梁俊毅发出研讨“信号”。“他也做实验，不像我们只知道理论，他常常从实验的角度来帮我分析，对我的启发很大。”当时，针对一系列新的发现，姚文娟撰写了论文，还特意邀请梁俊毅帮她写摘要，并对文章进行修改。他们将这一研究成果投稿于《自然·通讯》（Nature Communications），并通过了严格的初审和外审，在外审修回后编辑部肯定了他们的新发现是一个重大突破，但是指出论文尚缺乏实验数据支撑。

实验——这是姚文娟自跨学科以来碰到的一大难题。

从事理论研究的姚文娟需要找到一家可以合作实验的单位。她本来想等到实验结果出来，依旧投稿《自然》（Nature）杂志，因此，她把论文保存起来，一直未投稿，但没想到这一等就是许多年。梁俊毅也在这期间去了马里兰大学从事研究。现如今，姚文娟正在同复旦大学附属眼耳鼻喉科医院合作进行实验。虽然未能发表在自己预期的杂志上，但这项重要的发现还是为姚文娟赢得了国家自然科学基金面上项目“耳蜗主动感音机制中多物理场耦合非线性行为特征研究”以及国家自然科学基金重点项目“基于耳蜗宏微观多结构联动的听觉主动放大机制”。

在这项研究中，姚文娟的目标是采用生物力学和生物电学原理，建立反映耳蜗实际尺寸和生理特征的主动耳蜗-多物理场及化学（流-固-电-化）耦合理论模型，用数值仿真模拟耳蜗真实的感音过程，通过理论模型定性分析和数值模拟的仿真计算，逼真地刻画基底膜、盖膜、外毛细胞体及静纤毛与淋巴液在电生理环境下的耦合非线性动力学行为和能量转换规律，阐释耳蜗感音中的主动机制，分析内耳结构创伤及病变对感音结构听力阈值的影响，探究感音神经性耳聋病理与力-电-化耦合行为的关系，最大限度地解决感音神经性耳聋中的疑难问题。

再次获得实验研究耳蜗关键宏观结构BM在生理环境中的振动模式是姚文娟申请的国家重点课题的主要目标之一。承接此前的积累，项目拟通过实验验证新的机制，同时，采用多学科交叉综合集成思路，建立复杂耳蜗内各组织结构的多结构联动力学理论解析及数值模拟联合模型，整体把握耳蜗系统各组织结构的相互作用转换规律；探讨基底膜、毛细胞等微观结构的运动与离子通道启闭间的关系，膜蛋白电荷转移与毛细胞体电致运动的关系；从物理、生物、化学和医学机制上全面揭示耳蜗主动感音放大机理，同时为术后听力恢复的预测提供高效逼真的数值分析平台，为解决感音性耳聋的疑难问题提供理论依据和应用基础。

目前这一项目仍在进行中，2021年10月，姚文娟课题组的相关文章已经在中国科学院一区国际TOP期刊《非线性科学与数值模拟通讯》（Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation）发表。对姚文娟来说，这是对她跨界科研的阶段性总结，研究仍在继续，姚文娟在不疾不徐地期待着那个梦想中的突破。

 

感恩

得道者多助

 

不断跨界，不断创新，姚文娟很少说起自己一路走来所经历的艰辛，常常提起的反而是对帮助过她的人的感激。

“虽然梁俊毅去了美国，我还经常会在微信上跟他聊一聊实验进展的情况以及遇到的一些问题。我真的要感谢梁俊毅，带给我很多科研上的帮助与启发。我还要感谢我的学生，他们做出了很多的努力。”在她心里，是所有人共同努力才使这项研究得以诞生和延续。

姚文娟几乎对与自己合作过的每个人都心怀感激。

她感激上海建工集团给她以专家礼遇，她总说：“实际上跟建工集团的龚剑总工相比，我们做的工作不及他们，他们做了那么多成果转化，我只是做了些微薄的工作。而我的学生房霆宸现在已经成为集团骨干，进入集团后也给了我们很多支持，成为高校和工程单位之间的一座桥梁。”她也很感谢中交第三航务工程勘察设计院有限公司的程泽坤总工程师，“在一些深海重大工程中与他的合作研究受益匪浅”。

而在科研上，姚文娟最感激的是上海大学历任领导对她的支持。从引进她入校的周哲玮校长，到支持她不断进行跨学科创新的金东寒书记，再到如今在她逾花甲之年依旧支持她从事科研创新的刘昌胜校长，以及学科领导郭兴明书记、张田忠院长。“他们都是特别重视人才的领导，而且对于我这个年纪的人，他们还能够打破常规观念，大力支持我们做交叉学科研究，非常难得，也因此我们学校有着非常好的学术氛围。”

姚文娟要感谢的人太多了，在寻常人看来这似乎是一种客套，但跟她面对面交流却能真切地感受到她话语中的真诚。她就是这样一个人，从不愿说起自己经历的苦楚、曾经的荣光，有的只是一个科研人朴实的讲述、平静客观的回望与发自内心的感恩。也许没有这份举重若轻的平常心，也很难踏实地坐热那张冷板凳。

姚文娟最后要感谢的人是她的母亲。“她是医学院的，我小时候她就跟我讲，一个人要有抱负，才会有前途；一个国家要有科技，才会强大。那时候科研的理想就在我心里扎了根，我想当工程师、医生、科学家，这份理想一直指引着我。”说到这里，姚文娟嘴角浮现出笑意，“这个理想我还在实现，实现成为一名合格科学家的理想，虽然理想实现得还不是很圆满，但我觉得自己非常幸福。”此刻，姚文娟的眼睛如充满憧憬的孩童一样，因理想而熠熠生光。

（责编：李白薇）