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津云:高端访谈——把火星“搬”到地球 访天津大学建筑工程学院教授蒋明镜

      2021-09-08       

人物素描

2021年5月15日,天问一号着陆巡视器降落在火星乌托邦平原南部。“稳了!”守在电视前的蒋明镜看到这则消息,兴奋地从椅子上站了起来,握着拳头欢呼道。

三个月前的这则报道,让记者有了采访天津大学建筑工程学院蒋明镜教授的念头。在这三个月的时间里,记者曾多次联系到他,结果蒋教授不是在出差,就是在出差的路上,好几次的通话背景都是飞机广播催促关闭手机的声音。蒋教授的忙碌让记者既惊讶也无奈,甚至都有了放弃采访的想法。终于,这几天蒋教授回津辅导研究生课题,记者抓住了这次“来之不易”的机会。

报道中提到,为了能让“天问一号”顺利着陆,蒋明镜和他的团队花了两年时间,在河北省怀来县模拟建造了一个火星表面。距离地球几千万公里的火星,一个亟待探索的未知领域,要将它“搬”到地球上,这听起来无疑是个天方夜谭,但蒋明镜成功了。

“我的专业是研究‘土’,各种各样的‘疑难土’,比如火星的‘土’,其实只是我研究内容的一小部分。”蒋明镜是江苏人,操着一口地道的“吴侬软语”,怎么也想不到江南水乡的温润与细腻培养了这样一位愿意和土块、石块打交道的“硬核”教授。

“我是1982年读的本科,30多年来一直从事岩土方面的研究。”单看蒋明镜的简历就有近一页纸那么多:天津大学建筑工程学院土木工程系教授,博士生导师,1986年、1993年在河海大学获工学学士学位、硕士研究生(提前免试攻博),1996年在南京水利科学研究院获工学博士学位。1998年日本大阪土质试验研究所(现日本地域地盘环境研究所)特别研究员,1998至2000年日本京都大学特别研究员,2000至2003年加拿大拉瓦勒大学博士后,2003至2004年英国曼彻斯特大学博士后,2004至2006年英国诺丁汉大学博士后,2006年同济大学土木工程学院教授。2018年起天津大学建工学院教授、副院长。2010年起出任国际土力学与岩土工程协会TC105委员会副主席(蝉联),2009年获国家自然科学杰出青年基金,2014年入选国家百千万人才工程。第二十二届黄文熙讲座人,Elsevier公布的中国高被引学者(2019、2020年),美国斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家(2020年)。国家自然科学基金工材部咨询委员会专家、水利口会评专家、国家自然科学奖会评专家,国家有突出贡献的中青年专家,享受国务院政府特贴……

30多年前的博士,其难度和含金量毋庸赘言。“那个时候科研条件确实不好,但整体的学术氛围是非常积极的,大家都在心无旁骛地搞研究,一切都为了科研。”蒋明镜说,他很幸运遇到了一群好的老师,不仅为他指明了方向,也为他铺平了未来的科研道路。“在读硕士的时候,老师就为我申请了破格免试读博,直接跳级,这是前所未有的,当时是我们学校唯一的一个。”在蒋明镜读博期间,用于个人的科研经费3年一共只有6000元,“虽然那个时候物价低,但也还是远远不够的,老师把他的国家自然科学基金经费拿出来,又为我特殊申请,一共凑了45000元,全部用在了我的科研项目上。”

肩负重任,当不负众望。模拟结构土体中的大空隙曾经是世界性的难题,蒋明镜通过分析,认为在低温环境下在土料中掺加冰粒的方式可以人工形成大孔隙,从而最终人工制备成结构土。为此他做了详细的实验设计,很快便得到了老师的认可。想法虽然好,但是上哪儿去找这样的低温环境呢?直到蒋明镜看到了学校食堂的冷库。“我跟老师说,我想到办法做实验了,就是得麻烦您跟学校后勤部门打个招呼。”

听说是蒋博士要做实验,后勤爽快地“开了绿灯”。盛夏的南京炽热似火,也如同蒋明镜期待实验的那份心情。“为了能做好实验,我们尽可能周全地做好各种准备,仪器设备、棉裤、棉袄……那天,我们都特别兴奋,可一进去就都傻眼了。”这位年轻的学生做好了实验准备,却忘了做好心理准备——冷库是食堂的,里面还完整地冷冻着各种各样的“动物”。“现在想起来觉得挺好笑,可是那会儿,我和好几个同学被吓得晚上做噩梦。”

冷库实验成功了,蒋明镜乘胜追击,“只要是搞科研,我就时刻充满战斗力。”为了能尽快得到数据,他守着实验设备寸步不离。实验要用到空压机,声音非常大,尤其是夜深人静的时候,“我自己已经习惯了,就是苦了附近的居民,一开始还有人向所长反映,后来大家知道是在做实验,就都表示了支持和理解,至今回想起来都让我非常感动。”

厚积才能薄发。蒋明镜的研究成果在国际上得到了广泛关注,博士还未毕业,多所世界知名学府向他发出了热情的邀请。1998年初,他迈出了国门,先后在日本大阪土质试验研究所、京都大学、加拿大拉瓦勒大学、英国曼彻斯特大学和诺丁汉大学从事博士后研究。2006年,抱着报效祖国的信念,他毅然回到了同济大学任教。

采访中,记者总有一种感觉,仿佛科研对于蒋明镜来说不是一份事业,而是一种信仰,一种刻在骨子里的并愿意一生追随相伴的信仰。喜欢、热爱、痴迷……这些都不足以形容他对科研的执着。“刚回国时,我一个月拿到手的工资只有1500元,房租就要1850元,好长一段时间都是靠以前的积蓄贴补的。”

坚定的信念让蒋明镜一步一步走到了今天,时间做了最好的证明。近几年,随着我国综合实力的不断增强,科技实力也在飞速进步。航空航天、深海探测……这些高精尖领域留下了越来越多的中国身影和中国足迹。在此期间,蒋明镜和他的团队也承担了多个相关领域的项目研究。“除了刚才提到的‘火星土’,‘深海土’也是我们这些年研究的重点。最近,我们准备在海南开展可燃冰等资源的勘探、开发和环境保护等工作。”

坚持问题导向,面向国家重大需求,作为领域内的专家学者,蒋明镜深知我们目前的短板和弱项。“一些关键技术、重要装备、新能源技术等关系国家急迫需要和长远需求的领域,必须要掌握在自己手里,所以我们要加快步伐,朝着这个方向去努力。”

从蒋明镜的话语中,记者能强烈地感受到他的那种急迫而又期待的心情。从一粒沙到一方土,从一座山到一颗星,蒋明镜始终将科研与实际需求紧密相连。深知任重,却有不怕失败的勇气;也知路远,仍有潜心研究的热情。

采访最后,记者问蒋教授是否期待未来可以到太空去看一看,教授笑着说:“当然!太空旅行已经实现了,这离我们并不遥远。”有过脚踏实地的艰辛,方有仰望星空的勇气。同样,我们也期待着蒋明镜教授能用他的科研成果带领我们看到更高更远的天地。

独家对话

记者:能否简单介绍一下您的研究领域?

蒋明镜:我所研究的领域是土力学,是研究土体在力的作用下的应力—应变或应力—应变—时间关系和强度的应用学科,是工程力学的一个分支。土力学的研究对象是与人类活动密切相关的土和土体,包括人工土体和自然土体,以及与土的力学性能密切相关的地下水。土力学被广泛应用在地基、挡土墙、土工建筑物、堤坝等设计中,是土木工程、岩土工程、工程地质、能源工程等工程学科的重要分支。

土力学的发展当以库仑首开先河,大致分为3个历史阶段:萌芽期(1773年—1923年)、古典期(1923年—1963年)、现代土力学(1963年—现在)。现代土力学是以宏观试验成果为依据,连续介质力学方法和土体宏观本构理论为基础,有限元有限差分等数值分析方法为工具的体系,在岩土工程实践中发挥了重要作用。

目前,随着岩土工程在空间上的不断拓展,特别是深地、深海、深空工程(“三深工程”)的推进,研究者和工程技术人员需要面对更复杂环境条件(高地应力、高/低温、高水压、高真空、低重力、强化学作用等)和疑难岩土材料,如结构性土(温、压、力耦合,T-H-M)、深海能源土(含水合物土体,温、压、力、化耦合,T-H-M-C)、月壤(“太空效应”)等,这都是我们现代土力学研究者要面临的全新挑战。

记者:在圆满完成了火星探测项目后,您目前的研究重点是什么?

蒋明镜:最近主要是在做深海工程的项目。随着我国沿海经济的飞速发展、“一带一路”倡议的提出,以及《全国海洋经济发展“十三五”规划》的颁布,海上风电、跨海大桥、海底隧道、海洋石油钻井平台、海水发电、海底管线铺设、围海造陆和海洋核能等海上工程项目不断增多,海洋工程不断壮大充实。海洋工程由传统工程项目向新型工程项目转变,并逐渐由近海、浅海向远海、深海发展,项目规模也在不断扩大,这对海洋工程的敏感性、安全性与耐久性提出了更高的要求。一系列的海洋资源开发伴随着许多亟待解决的工程技术问题,如开采平台、海底光缆的安全性等,而海底地震、海床滑坡等自然灾害的预警与减灾也是全球关注的核心问题。

以深海天然气水合物资源开采为例,水合物分解必然引起赋存海床的力学性质劣化,而不当的开采方式可能诱发大规模灾害(如滑坡)或桩基平台倒塌。如何选择安全的开采模式、区域,降低开采活动对海洋环境的影响,成为水合物实际开采过程中的首要问题。海底现场勘察研究非常困难,室内试验模拟深海环境代价昂贵,所以就需要我们加大科研力度,对海洋工程的推进进行综合分析,以保证其安全可行。

记者:听了您的介绍,我们大概了解了土力学的实际应用,对该领域未来的发展机遇,您有何专业的见解?

蒋明镜:土力学出现了一个新的关键领域——宏微观土力学,在过去 40年里,宏微观土力学经历了萌芽、雏形与成长期,可以说现下正迎来加速发展的阶段。我认为未来宏微观土力学的发展机遇主要有以下四个方面。

一是建立适用于各种岩土工程问题的高效率计算法。这一方面的研究既可能涉及分子或纳米尺度上的物理力学机制,又需要高效的耦合计算方法。由于需进行数亿甚至数万亿颗粒的计算,这对计算能力的要求会很高。随着计算机技术的快速发展,这一矛盾会逐步减弱。

二是针对真实工作环境,建立“三深工程”疑难岩土体的模型和结构演化与宏观特性的关联。这方面的研究既需要模拟高/低温、高水压、高真空和化学等极端环境的微、细观尺度上的试验技术,又需要解决代表性单元尺度效应与试验测试精度限制的矛盾,还需要发展三维土体内微、细观结构信息的提取与处理分析技术。但随着多功能、高精度、大量程 X 射线 CT 等技术的发展,这些问题可望逐步解决。

三是建立实用化理论模型,并解决“三深工程”各种复杂、疑难岩土力学与工程中的核心问题,帮助提高工程设计水平。在不同岩土工程问题中,土体经历的应力路径不尽相同,当前土工测试技术尚难以准确获取现场原状土体的应力路径和力学性状。所以,采用适当的方法进行模拟,并进行相应的室内试验研究,从而建立实用化本构模型,不失为一种研究思路。

四是宏微观土力学与现代土力学的四个分支以及其他学科的交叉发展。宏微观土力学既可以在本学科内与理论土力学、计算土力学、试验土力学和应用土力学交叉,又可以与其他学科交叉,如岩石力学、力学学科中的近场动力学等。这既有助于宏微观土力学的自身发展,完善现代土力学,又能促进其他学科的快速发展。

总之,宏微观土力学已成为最具活力的研究方向之一,它的加速发展期即将到来。为此,我们既需要很多基础扎实、年富力强的青年学者的参与,又需要长期奋战在科研第一线、对岩土工程疑难与关键问题有深刻认识的资深科研人员的关心和支持。

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(编辑 刘晓艳 韩京峰)

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