欲得百炼钢 亦需绕指柔——记北京大学工学院力学与工程科学系特聘研究员毛晟

倪海波

2016年，毛晟毕业于宾夕法尼亚大学。

提起固体力学，许多人会不假思索地联系到钢铁、合金等坚硬的功能材料，或是飞机、火箭等坚固的大国重器——事实上，正是过去几十年基础建设及国防工业的巨大需求，促进了固体力学的蓬勃发展。近年来，随着化学工业、生物医学技术的飞速发展，关于软材料、柔性结构的研究也日渐成为固体力学领域的研究重点。

其实软材料与我们的日常生活息息相关，几乎随处可见——吃的食物，穿的衣服，写作时用的橡皮，出行时车的轮胎等。但这样一种随处可见、看起来再普通不过的物质，却是力学、物理、化学、生物等学科里一个经久不衰的研究课题：正如软物质物理之父德热那的那句名言所说，“软物质里有硬科学”。软物质因其可以承受大变形而不致失效的特点及自身的强非线性效应，导致它目前仍有许多待解决的基础问题；与此同时，各行各业尤其是医疗领域的巨大需求又对新型软材料的性能和功能提出了很高的要求。为此，北京大学工学院力学与工程科学系特聘研究员毛晟，致力于从基础研究的角度，探究软材料独特行为的本质，并面向国家在医疗领域的重大需求，为设计高性能、多功能软材料这一目标贡献自己的力量。

昨夜西风凋碧树

刚刚踏上科研征程的毛晟其实从事的研究课题与软物质并不直接相关。2011年，他来到位于美国费城的宾夕法尼亚大学攻读应用力学的博士学位。当时，他从事的研究课题是挠曲电（flexoelectricity）。就在一年前，普林斯顿大学的一个课题组在实验室中发现，在不改变应变的情况下，通过调节应变梯度，纳米材料的力电转换响应可以得到非常大的提升。这个课题组恰好找到了宾夕法尼亚大学的应用力学系，双方一拍即合，开展了紧密合作。毛晟承担的就是对于挠曲电现象基础力学理论的研究，而普林斯顿的课题组则致力于实验方面的研究。

万事开头难，初来乍到的毛晟时常感到不知所措，当时，毛晟并没有被要求立刻开始具体的科研项目，而是被鼓励多去上课，尤其是不同科目的基础课。宾夕法尼亚大学的应用力学系历来以重视基础理论的教学传统而闻名，并且有断裂力学、塑性力学、复合材料力学等各力学领域的国际知名教授，他们不仅开设课程，还会有日常的讨论班、研讨会、讲座。在攻读博士研究生的头两年，毛晟如饥似渴地汲取着相关知识，其中让他印象最深刻的莫过于连续介质力学这门课。这门课的老师是一位非常严厉的老师，与许多其他老师不同，上他的课几乎不允许提问，更不能开小差，因为错过一句话可能接下来的内容就完全听不懂了。“上课的时候除了做笔记几乎没有时间做任何其他的事情”，毛晟现在回忆起这门课来仍然是心有余悸。“但是在学完这门课之后，我发现在研究时无时无刻不在用到其中的知识。尤其是那些当时看起来好像‘没什么用’的知识，它们往往能带来意外的惊喜。”毛晟说道。

例如，在博士三年级的时候，有一次普林斯顿大学的合作课题组发现了一个传统理论无法解释的现象，毛晟绞尽脑汁也无法得到一个自洽的模型。很凑巧地，有一天，毛晟在研讨班里偶然看到了一篇理论文章，虽然文章中所研究的体系与挠曲电相距甚远，但经过推导，他马上反应过来文章中的理论可以用来解释实验。通过与合作者讨论以及反复推敲实验方案，毛晟最后证实这个理论的确可以完美地解释实验中所观测的现象。这项研究得到了同行的广泛认可，并入选了2015年Extreme Mechanics Letter杂志的年度最佳科研之一。

衣带渐宽终不悔

在经过5年的科研训练之后，毛晟在机缘巧合之下来到了普林斯顿大学开展博士后的研究工作。也正是从那时起，他开始与软物质力学结缘。与宾夕法尼亚大学相比，普林斯顿大学对基础理论研究的重视程度有过之而无不及。地处相对孤立的小镇，远离都市的喧嚣，普林斯顿大学的研究氛围在美国是数一数二的纯粹与浓厚；再加上各个科系之间距离非常近，这里便成了跨学科研究的理想之地。

与软物质结缘也是出于一次巧合，有一天，毛晟偶然看到室友在实验中拍到的照片，他们立刻意识到照片中反映的问题可以与软材料力学里经典的表面失稳问题联系起来。于是两人一拍即合，通过两年的研究，揭示了霍乱菌菌膜在基底上生长的时候是如何通过表面摩擦力以及力学失稳效应来调控自身形态的原理。事实上，表面失稳也是许多其他生物体力学调控的重要机制，毛晟还通过与生物医学工程系的课题组合作，揭示了平滑肌对于肺气管发育的重要意义：如果平滑肌发育受到抑制，那么肺气管将由于表面失稳而无法在特定位置进行分叉，进而影响肺气管的进一步发育。

除此之外，毛晟还着重研究了软物质系统中的多相分离问题。“当多组分的混合物之间存在相互排斥的组分时，这些组分就会自发地分离成各自独立的相，例如油和水，”毛晟解释道，“而我们想探究的是组分数目的多少及环境对相分离行为的影响。”为了研究这个问题，毛晟首先建立了一套用以描述任意组分相分离系统的物理模型，系统性地研究了组分数量对于相分离系统热力学和动力学的影响；其次基于上述物理模型，辅以大规模数值计算，建立了一套基于图论的设计方法，这个方法可以准确地预测最终分离相的几何形态；最后，在这两项研究的基础之上，毛晟将相分离过程推广到一般介质中，揭示了浸润性、弹性模量及表面张力是如何调控相分离系统的动力学的原理。“这项研究虽然主要是被生物学驱动的，但本质却是一个物理和力学问题，通过系统性的研究，我们希望从不同的角度回答生物学上相关的难点问题”，说到这的时候，毛晟对于此项研究的激动之情溢于言表，“但是出乎意料的是，经过繁复的建模、数值仿真和推演之后，我们发现用于描述该系统复杂行为的规律竟是如此简洁。”

众里寻他千百度

2020年，结束在普林斯顿博士后工作的毛晟回国进入北京大学担任特聘研究员，回到了他熟悉的燕园——13年前，他曾抱着一本《初入燕园》来到这里求学。对于毛晟来说，4年本科学习让他印象最深的就是老师们对于学术的严格要求，虽然曾经吃过苦头，“可是回过头来看，也正是在这里打下的坚实基础，让我在日后的科研工作中受益匪浅”。除了知识之外，科研基本素养的培养也是很重要的一方面，“当时老师会在课堂上提一些与研究有关的问题让我们课后去思考，但并不会给我们答案，其目的就是引导我们的思维”。这种教学氛围，不仅为毛晟的研究生涯打下了坚实的基础，也塑造了他的精神家园。

如今，距离毛晟离开北京大学前往国外求学已经过去10年了，当他再回来的时候，很多场景依旧是他记忆中的样子：“老师依旧那么严格，学术氛围依旧那么浓厚，学生们的求知欲依旧那么旺盛。”当然，如今的北京大学也比10年前多了许多的变化。“最明显的是硬件方面的提高：新食堂、新宿舍，更重要的是宿舍里都已经装上空调了，”对此，他笑谈道，“以前我们夏天在学校时，有时候干脆睡在实验室，这样会凉快一些。”

2020年，在课堂上教授研究生课程“非线性有限元方法”。

多年的求学和科研经历让毛晟非常清楚交流对于推进项目研究的重要性，因此回国后，他积极参与北京软物质科学与工程论坛及全国力学博士生论坛的组织工作。与一般的学术会议不同的是，通过这类论坛，许多刚接触科研的博士研究生得以展示自己的工作，在毛晟看来，这是锻炼他们表达能力的难得的好机会，“我希望他们在表达时能够尽量将复杂的研究内容尽可能用大多数人能听得懂的方式表达出来”，而这样的表达能力，其实是建立在对自己工作内容的清晰理解的基础之上的。

而今迈步从头越

如今，在经历了5年研究生和4年博士后的训练后，毛晟将继续围绕软物质的力学理论与计算方法展开他的研究。主要研究内容包括以软物质为基础的挠曲电现象的基础力学理论及其计算方法、软材料的力学失稳、软材料的断裂力学理论等。他说，这些方向不仅是软物质力学领域的基础问题，也与众多工程应用有直接的联系，具有十分重要的应用意义。

毛晟认为，正是因为他的研究方向可以同时与基础研究和实际应用紧密联系，因此才赋予了其研究成果千千万万种可能性。“我既可以通过研究揭示某些现象的机理机制，也可以将其和人们的实际生活结合起来，解决社会需求问题。”因此，他计划未来结合自身优势与学科背景，将具体科研工作主要集中在软材料及柔性结构的挠曲电问题和软物质的多尺度计算方法两个方面。

在关于软材料及柔性结构的挠曲电现象的研究中，传统的挠曲电研究主要集中在如钙钛矿等“硬”材料中，而“软”材料因其挠曲电系数较小，一度被认为应用前景十分受限。近期的研究表明，利用一些特定的软材料系统可以有效放大挠曲电的力电耦合效应，甚至可以按照需求调节其等效挠曲电系数。这类“软”材料/结构相对于传统的“硬”材料，更加轻质、可以承载更大的变形，因而可以被用于柔性传感器、柔性能量采集器等下一代电子器件的制造中。不仅如此，一些具有柔性微观结构的材料也被证明具有特殊的挠曲电性质。这些工作进一步拓展了挠曲电的应用前景，可以预见在未来数年内，柔性挠曲电将是一个重要的研究方向。为此，毛晟计划从宏观和微观两个角度开展研究工作：在宏观上，提出适用于大变形的通用挠曲电计算方法，并基于此针对结构优化及力学失稳等问题进行系统性研究；在微观上，主要针对二维材料等具有特殊结构的材料，对其独特的挠曲电及其他力电耦合性质进行深入的研究。

而在关于软物质的多尺度计算方法的研究方面，毛晟认为，软物质因其大变形、非线性本构关系及多场耦合等特征，力学行为十分复杂。也正是因其复杂性，软物质的许多力学行为大都处于尚未被探索的状态。研究软物质的基础力学行为，就离不开多尺度计算方法。从微观层面讲，他认为通过结合与发展现有的、适用于不同问题的模型，才能够参透软物质的微观运行机理；同时可以通过微观机理得到宏观的力学模型，并在此基础之上发展高精度、高可信度的宏观计算方法，最终服务于新型的工业及生物医学技术。与此同时，蓬勃发展的计算机科学技术及人工智能技术也给软物质力学的多尺度计算方法带来了广阔的发展空间和新的发展思路。因此，毛晟计划在未来数年内，在多尺度方法的框架下，开发适用于多物理场耦合的新型数值模拟方法，并基于多物理场模型探索可应用于微纳制造的创新技术。

在毛晟看来，目前我国的基础研究正逐步呈现出蓬勃发展的态势。但同时，他也敏锐地看到了当下我国在成果转化方面的需求。“在某些方面，实现研究成果转化相比纯粹的基础研究更加复杂，中间也有更多的细节问题需要我们解决。”而毛晟接下来要做的，就是结合多年来在基础研究领域的成果，加入到研究成果转化的浪潮中，推动潮流的发展。