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科技日報:陳焱: 把“紙”從理論“折”進應用

      2020-11-18       

《科技日報》(2020年11月17日 05版)

陳焱在介紹厚板模型 陳焱供圖

“研究摺紙的人,首先得長個‘立體’的腦袋……不做點好玩的模型,怎麼把學生‘騙’來,等他們到了實驗室,就知道沒那麼有趣了……”近日,在天津大學機械工程學院教授、博士生導師陳焱辦公室裏,陳焱一邊給科技日報記者展示酷炫的摺紙結構,一邊開玩笑,爽朗的笑聲響徹整個房間。

這位風趣的女教授,做的研究也同樣有趣,一門新興的前沿科學——摺紙科學。通過摺疊或者展開,讓紙張的結構、形狀、體積或表面積發生改變,從而使其能實現更多的功能。2015年,陳焱提出了全新的厚板摺紙理論模型,完成了從零到一的理論創新,破解了厚板結構難以摺疊這個困擾科學界和工程界五十餘年的國際難題,把摺紙科學從理論“折”進了工程應用。

最近,陳焱迎來了自己的“豐收季”。在日前發佈的第十六屆中國青年科技獎、第二屆“科學探索獎”兩項大獎的獲獎名單中,她都榜上有名。

“稀裏糊塗”走進摺疊空間

“我本、碩階段的專業都是力學,等到了牛津大學讀博時,我學的是土木工程專業,導師選的研究方向是可展開結構,於是我就‘稀裏糊塗’研究起了機構和折展結構。” 説起最初入行,陳焱覺得有點小慶幸,“不過我之後的經歷沒有什麼特殊的,就是很幸運有機會一直在做自己感興趣的事情。”

被陳焱寥寥數語帶過的,是了不起的科研成果。

其他學科的學者在研究摺紙時,通常假設紙張是零厚度的;但在真實的工程中,紙張的厚度是不能被忽略的,這一厚度會造成結構緊密摺疊的困難。已有理論無法有效解決這一問題,於是陳焱另闢蹊徑,用空間機構代替球面機構,建立了全新的理論模型,從根本上解決了厚板摺紙的難題。

“摺紙是一類結構,大大小小的工程中都可以應用到它。”談起摺紙的應用,陳焱侃侃而談,“比如航天衞星中的天線,其直徑越大,功能就越強,但是如何把幾十米甚至上百米長的天線折到最小,再放到直徑只有4.5米的火箭整流罩內,是航天展開結構設計的一個關鍵問題。”

解決了厚板摺紙難題的陳焱並不滿足於已有成績,她常對年輕的研究者們説“要勇於跳出自己的學術舒適區”。她是這樣説的,也是這樣做的。

2018年,陳焱開始帶領團隊開墾一塊“荒地”——研究具有大變形能力和超常物理性能的結構材料。

這項研究有什麼用呢?

陳焱以飛行員的安全帶為例,向科技日報記者解釋道:“當飛機加速度非常大時,安全帶就會因為受力而變得非常細,安全性和舒適性都會變差。我們可以利用摺紙結構,改變安全帶整體結構中的材料分佈,提升它的舒適度。”

較真導師“害苦”學生

在陳焱辦公室的書櫃裏,擺放着各式摺紙模型,這些“玩具”幾乎佔了一半的空間。

“我喜歡由興趣驅動的、純粹的研究,一旦腦子裏冒出了靈感,我一定要想辦法去實現或者驗證它們,而這些玩具曾給我很多啓發。”陳焱説,“從冒出一個靈感,到建構初始模型,這個過程是很快的,而且是充滿快樂。不過,這個過程只佔整個研究工作的10%到20%,剩下大量的工作是枯燥的公式推導和理論整理。這個過程還是挺折磨人的,但我們必須耐得住,一絲不苟地完成每項工作。”

陳焱曾領導完成過一個有關可展多面體的課題,總共耗時9年,從2010年到2018年,前後3個學生接力研究,終才得以完成。

如今回想起來,陳焱覺得,就算費時再久,也是值得的。“科學容不得馬虎,研究更容不得半點馬虎。”她説。

這份認真,陳焱用在科研上,更用在帶學生上。

“做我的學生,挺‘痛苦’的。我不僅要求他們給我一個結果,中間過程我也要他們清楚呈現,我對他們是全流程‘較真’。”陳焱笑着講了一個趣事,“我曾發現一個學生在計算時用錯了理論公式,我就讓他用別的方法重新推導。結果,他用數值方法,不但沒找到正確的公式,還發現了一個以前從未遇到的怪現象,於是不得不再換一個方法。很快,他找到了正確的公式,以為‘完事大吉’,卻沒想到我讓他繼續解這個題。因為我發現這個新方法,仍無法解釋那個怪現象,就讓他一究到底。你可以想象,學生當時欲哭無淚的心情。”

陳焱曾寫過一篇文章《給“理想”建一個朋友圈》,在她“理想”的朋友圈裏,有四位“好朋友”——“赤子之心”“興趣激情”“踏實合作”“責任使命”。陳焱説,這是她的四位“老友”,她也希望把它們介紹給青年學者和學生。

題外話

科技日報記者:您的辦公室裏擺滿了兒子和家人的照片,感覺您是一位很重視家庭的人。其實,女性從事科研工作,要面對的困難比男性多,比如會面臨生育的問題,您是如何平衡這兩方面的?

陳焱:其實,只要提高工作效率,把時間分配好了,完全可以魚與熊掌兼得。孩子小的時候,我在新加坡工作,基本上孩子去幼兒園和睡覺的時間,我在工作,其他時間我都在陪孩子。我印象最深的,是孩子兩歲的時候,我和合作者利用時差24小時連軸轉的寫一本書,就是利用孩子不需要我的時間。最後,我們只用了半年多就寫完了這本書。

而且我做的大部分事情,都不會拖到最後,對常規工作的安排有一個合理的預判,並儘量提前完成。因此很少出現緊急情況,導致沒有時間陪伴孩子。

陪孩子玩,我覺得非常開心,完全不覺得累。現在兒子已經14歲了,我平時還會抽空做做他的幾何題。兒子如果發現我找到了更簡便的解題方法,就會主動找我切磋切磋。

科技日報記者:您曾經參與湖南衞視綜藝節目《天天向上》的錄製,當時是什麼情況?

陳焱:這是一個非常特殊的經歷。我其實平時是不看電視的,也不知道《天天向上》是一個什麼樣的節目。當時學校找到我、希望我參與節目錄制的時候,起初我直接就婉拒了。後來學校領導和我説,這是學校重要的招生宣傳。於是,我就當作工作任務答應了,才有機會給電視觀眾科普了一下各種各樣的摺紙結構,並且見識了電視台節目有趣而辛苦的錄製過程。

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(編輯 劉曉豔 李傑奕)