杜刚：走一条少有人走的路

于晓杰

杜刚，北京航空航天大学能源与动力工程学院副教授，主要从事生物流体推进的数值模拟、发动机部件气动优化设计和风力机气动设计研究工作。曾获得2013年度国家自然科学奖二等奖和2012年教育部自然科学奖一等奖（均排名第三）；作为负责人主持国家自然科学基金面上项目“昆虫拍动翅的变形和褶皱对其流动和气动力的影响”“昆虫着陆和障碍规避的运动学测量及流体力学机理研究”和国家纵向项目“矢量喷管气动及红外特性研究”，曾主持过“涡轮基组合动力单边膨胀喷管”项目的喷管试验与数值模拟研究部分，北航凡舟基金“昆虫空气动力学的流固耦合研究”，北航青年教师创新基金“5MW超大型水平轴风电叶片气动设计技术研究”。作为主要成员完成了自然科学基金项目“昆虫机动飞行的流体力学及动力学”，国家“863”项目“风机机组叶片的先进翼型族的设计与应用”的研究工作。

专家简介：

杜刚的求学经历堪称一段传奇。从最初干石油钻地下到后来转到天上研究飞机，之后又转到流体力学，再转到发动机研究，还有新能源技术。从小昆虫转到大飞机再到风力发电，这一连串的转折在外人看来实在有点“杂”，但是在杜刚看来，这些历程却让他的思路更宽广，眼界更开阔，对于实现他的航天航空梦想都有极大的帮助。

“我的观点是不要拘泥某一条格言或者原则，因为条条大路通罗马，人生是丰富多彩的，每个人会走出各自不同的轨迹，有的人是直线的，有的人是曲线的，有的人是螺旋的，只要你要就听从你内心深处你最喜欢那个声音去做就行了！”杜刚就是这样一个果敢和坚韧的人，只要自己认准的事情，说做就做，从不后悔。他认为，坚持一条路走下去，每天有所进步，就肯定能积累出很大的成就。

石油世家走出航空娇子

杜刚是四川人，生在一个石油世家。他的父亲是西南石油大学的教授，家人都期望他能够子承父业，在祖国的石油事业上有所建树，甚至为他都规划好了未来的蓝图。

然而在别人眼中近水楼台的杜刚却没有去摘取那一轮月亮，从小就更对航空航天感兴趣的他在读完石油专业的本科之后，经过一番艰难的抉择，做出了人生中一个最大的决定，决定还是遵从自己内心深处最真实的兴趣和追求，考取了北京航天航空大学的硕士研究生。

这成为杜刚成长路上的一个全新起点，告别了四川的家人，独自一人开始了京城的求学生涯。当时是在北航的飞机设计系，主要是研究飞机的结构以及强度等相关的知识，那是他幼年开始就梦寐以求的理想。

硕士毕业之后，杜刚开始师从孙茂老师，学习流体力学。当时，正值国际上各种先进微型制造技术、微机电系统、微电子和一体化技术有了迅速发展。在此基础上，人们提出了微型飞行器这一新概念。当时设想的微型飞行器尺寸为10厘米左右，下一步将向厘米，甚至毫米量级发展。若采用传统的气动布局和飞行方式，微型飞行器会有低雷诺数下不能产生足够的升力，大气脉动速度与飞行速度同量级等问题，因而，应该寻求空气动力学新概念。

实际上，在自然界中已经有了“智能化”的微型飞行器——昆虫，它们经过大自然几亿年的“实验”和“选择”，飞行技艺高超，体积小，机动灵活，正好满足了人们的需要，微型飞行器应该“仿效”它们。这就要求科研人员有必要深入了解昆虫飞行的力学机理。杜刚向我们介绍说，昆虫飞行的力学主要涉及空气动力学，力能学和飞行动力学。空气动力学主要研究昆虫所需的高升力是如何产生的；力能学探讨在各种飞行状态下，为产生足够的升力和推力需要多大的功率及需用功率随飞行参数的变化规律；飞行动力学则是研究飞行的动稳定性和控制的问题。于是，杜刚跟随孙茂老师开始研究昆虫飞行，继而进行相关的流体力学数值仿真和观测一类的工作。这几年下来，杜刚感觉离自己的兴趣点越来越接近，也更加明确了自己未来的研究方向。

但是，现实并非都是顺风顺水的，在杜刚博士毕业的时候，为了能够留校，博士后只能挂在能源与动力工程学院的发动机系，这对于他来讲是一个完全陌生的学科，与之前的研究领域有比较大的差别，但是杜刚主动去适应这一变化，在研究新的领域知识之外，并没有放弃对于昆虫飞行的研究，甚至将二者有机联系，融会贯通。在杜刚看来，昆虫的飞行也是一种推行，和螺旋桨、发动机的推进有异曲同工的地方，也是有值得钻研和借鉴的道理所在。博士后出站之后，杜刚留在了能源与动力工程学院当老师，负责本科生的新能源方面的理论教学，但他仍然能够把他对昆虫的研究认识融进教学中去，给学生们带来不一样的生动感受。

昆虫世界的秘密

杜刚幼年在四川家乡的时候就对飞翔的昆虫们感兴趣，蜻蜓、蜜蜂、蝴蝶甚至是蚊蝇，为什么可以飞的那么快？为什么能够在空中转弯？又为什么能够倒立地停在天花板上？一连串的问题也造就了他年少时那种朴素的航天梦像的剪影。直到他来到北航，遇到孙茂老师之后，一扇奇妙的科学大门轰然为他敞开。

孙茂教授是从美国普林斯顿大学归来的“老科研”，从20世纪90年代中期就开始了昆虫飞行的空气动力学和飞行力学的研究，经常用流体力学的专业知识去解决生物学上的一些国际前沿问题。师徒二人志趣相投，一见如故，开始了携手探索昆虫世界的奥秘之旅。

在他们之前的十多年里，人们在昆虫飞行的空气动力学、力能学和飞行动力学方面已经做了大量的工作，也取得了一定地进展，对气动力产生的机理，需用功率随飞行参数的变化规律，及飞行的动稳定性都有了一定的认识。但杜刚同时向记者解释，几乎在所有以上的工作中，无论是理论计算或是模型实验研究，昆虫翅膀均用刚性平板翅来代替，这虽然给研究带来了很大的简化，但现实中真实的情况是昆虫飞行的过程里，翅膀需要拍得很快才能得到足够大的推力，而实际上所有产生推力的翅膀都具有褶皱结构和且都是会发生变形的。那么，在变形的情况下产生的气动力和之前不考虑变形的时候会有什么不同？昆虫是不是故意利用这种变形来产生高效的推力和升力呢？假如它的变形会产生影响，那么影响到底大不大？又是一连串的问题摆在了杜刚的面前，他明白，无论结论如何都将对这一领域的科研有非常重要的价值。endprint

杜刚要解决的第一个难题就是要得出结论——昆虫在飞行中是如何变形的？而这几乎算得上是一个世界性的难题，因为从理论计算上是算不出来的，世界上没有一个公式可以做依据。只能依靠实际观测。于是杜刚从数百万种昆虫中遴选具有代表性的8种，尺寸上要覆盖从大到小，在拍动的频率上，也要兼顾快慢。

杜刚和他的同事们开始用高速摄像机拍摄这些昆虫飞行的瞬间，三台摄像机全方位地进行拍摄，之后再运用计算机数值模拟技术把结果演算出来，这样变形时和不变形时的气动力就能计算出差距了。

理论虽然如此，但是实际操作起来是一个极其枯燥和数据庞大的工程。昆虫翅膀1秒钟可以拍动约150次，相机1秒钟拍5000张，一只虫子飞一次，就得处理少则几千张，多则上万张的照片，有时候光处理一只虫子的数据就得花上几个月的时间。

杜刚无奈地表示，搞科研并没有外界想象的那样神秘和浪漫，更多的是面对这种枯燥，更需要你具有一种宁静的心态。有些时候，可能因为某一个字母或者符号打错了，结果程序就会报错，但是你又一时找不出问题所在，就会卡在那里一两个月进行不下去。那段时间，用杜刚的话描述，每天就是“吃饭睡觉盯程序”，但是一直没有解决，直到某一天，突然会豁然开朗才会找出问题所在。

在杜刚看来，这种“折磨”的经历也是人生中一种必不可少的历练。他最爱读的一本书叫《少有人走的路》，给他留下了难以磨灭的印象。杜刚非常推崇里面的一个观点：当你碰到问题的时候，一个成熟的人一定会选择面对问题解决问题，而不成熟的人则会想方设法地绕过问题。书里说，你愿不愿意面对困难，是一个人成熟与否的标志。杜刚把这句至理名言作为自己的座右铭，时刻勉励自己，在困境中能够咬牙坚持住。而经历风雨之后，就会迎来美丽的彩虹。杜刚正是通过这种艰苦枯燥的实验观测的方式，捕捉到了昆虫飞行中的变形状态，经过计算，得出了虽然昆虫在飞行中翅膀是变形的，但是影响并不大的最终结论。这一结果发表在《实验生物学》和《理论生物学》等杂志上，反响颇为强烈。杜刚的这一研究结果等于解决了一个很重要的问题，在此之后，研究昆虫的科学家们就不必再去考虑昆虫飞行中的褶皱和变形问题了，相当于为这个领域的科研之路铺平了一条之前困扰前行者的沟壑。

希望学生早日成材

杜刚另一个重要的身份是北航能源与工程学院的副教授，主讲风能课。从叶片的设计到发电机到齿轮转动这一系列理论的基础，本是枯燥的理论课程被杜刚讲得风生水起。他把风能和他的老本行飞机的空气动力学结合在一起，本来讲用来发电的风力机叶片，但是杜刚故意引导到飞机的机翼或者直升机的旋翼上去，用鲜活的实例替代冷冰冰的理论，让学生们觉得新颖，听起课来也觉得趣味盎然，同时杜刚这种独特的授课风格也将那些简单化的理论上升到了比较深的层次。

杜刚推崇用引导的方式来帮助学生积累解决问题的能力，提升他们的独立性。作为本科生的班主任，杜刚基本采取的是“放养”的状态，他笑称自己“不愿意”去见他们，因为他不想像家长那样整天在学生的耳边唠唠叨叨指手画脚，他希望培养学生自己做决定，自己想办法，自己承担后果，自己总结经验，不要一遇到困难就求助老师帮忙。杜刚对于学生的请求从来都是点到为止，这样几番下来，学生有了问题，自然会想办法通过看书、查各种文献、利用各种软件以及和同学交流讨论等形式来解决。

杜刚希望自己的学生都能成为具有独立思考能力和创新思想的科研工作者，他回忆起在美国纽约大学柯朗数学研究所和美国科学家一起做研究的那段日子，本来都是物理系的，但是他们研究的东西特别广泛，没有条条框框的束缚，比如他们会做一个像金字塔形状的小飞行器进行飞行测试，也会拿一块圆形的糖用流动的水去冲刷它，流体和固体之间会产生一种摩擦力，进而将圆形的糖变成了三角形。这些实验在我们看来完全没有什么工程实用价值，完全出自于兴趣，但是却创造了他们无与伦比的创新精神，这一点，我们确实存在着较大的差距，要尽力改变和迎头赶上。

杜刚说，他这一生很幸运能在北航遇到很多大师级的学者，这些学者在当今浮躁的学术气氛中和那些耀眼的“学术明星”相比，显得默默无闻，但是他们却很专注地安静平凡地做着自己的科研。这对杜刚的影响非常之大，他认为，一所大学真正能流传后世的东西，不是有多少大楼，多少奖状，而应该是一种纯真的学术精神和强大的学术力量。他希望自己也能够把这种学术精神传承给他的学生们。

鲁迅先生曾经说过，世间本没有路，走的人多了，也就成了路。然而在科学的道路上，杜刚并不想挤在熙熙攘攘的人群里亦步亦趋，他希望能够走出一条属于自己的精彩轨迹。谈到未来，刚刚荣升为两个孩子父亲的杜刚最近忙得有点不可开交。生活、科研、教学以及和企业的产业化合作，都满满当当地排上了日程。但是他充满了干劲，杜刚对记者说：“做事情的时候，只要是全身心的投入的话，是不会感觉到累的，相反，这些都是让我非常快乐的事！”endprint