新時代科技長征路上的突圍者
——記北京大學工學院講席教授黎波

楊 戈 劉玉杰

一代人有一代人的“長征”，一代人有一代人的使命。我們的祖輩為了推翻舊社會、解放全中國而奮斗；我們的父輩則致力于發展經濟、富強國家。然而，經濟的繁榮與人民的幸福需要有一個強大的國防和工業體系作為保障，改革開放的成果需要科技這一把利劍來守護。正因如此，我們這一代的使命就更加重要：科技衛國、科技強國！

——黎波

2021年的初冬，黎波博士又一次回到國內。與以往每年兩三次的短暫回國交流與合作不同，這一回，黎波有了新的身份——北京大學工學院研究員、京東方講席教授、博士生導師。從此，他不再是往返于大洋彼岸之間，不以山海為遠的候鳥，而成為一粒飽蓄力量的種子，將在祖國的科技土壤中扎下根去，助力國家在計算科學、極端力學，以及計算機仿真（CAE）工業軟件等領域的發展與突破。

多年海外留學與工作經歷的浸染，讓黎波具有了幾分西方式的直率與坦誠，但在舉手投足間，依然不難發現留在他身上那種屬于中國傳統知識分子的內斂與擔當。19年前，黎波踏上了美國的土地，在異國他鄉的學術領域里打拼。先后在美國加州理工學院和凱斯西儲大學學習與任教，長期致力于材料在高溫、高壓、高應變率與高加熱冷卻率等極端熱力學條件下動態行為的理論與仿真計算研究，在多物理場強耦合數值模擬、先進計算方法、多尺度材料建模、斷裂力學、增材制造以及超大型并行CAE工業軟件等方向取得了多項創新性成果。

黎波

在美國，黎波是美國國家科學基金會（N S F）、美國國家航空航天局（NASA）、美國能源部（DoE）、美國國防部（DoD）等機構和科研院所的座上賓，主持和參與了多項由NSF、NASA、DoE、DoD資助的重要科研項目，以PI身份主持和參與的研究獲得經費支持超過數千萬美元，并先后斬獲了美國國家航空航天局暑期教授獎（NASA Summer Faculty Fellowship）與美國科學基金會杰出青年獎（NSF Career Award）等一系列重量級的獎項。

與此同時，一腔赤子之心的黎波時刻關注著國內科學事業的發展，一心想把在國外所汲取的先進知識帶回中國，報效祖國。所以，當國家需要他時，他沒有絲毫的猶豫，毅然決然地選擇了放棄美國高校終身教授的優厚待遇回國從頭開始。黎波說：“這其實是水到渠成的事，也緣于我一生都無法割舍的家國情懷。”

奮進之路

興趣是一個人積極探究事物的原動力，只有擁有濃厚的興趣才是人們不懼艱難、堅持鉆研下去的源泉，也只有這樣才會最終走向成功。黎波的成長經歷正是如此。

出生于鄉村家庭的黎波，父親從事汽修工作。“我從小就在汽修廠里面玩，天天鼓搗那些機械零部件，所以自然而然地對機械產生了濃厚的興趣。”黎波回憶道，高中的時候自己經常看編程方面的書籍，雖然20世紀90年代初，個人電腦在中國的一線城市都尚未普及，但是父母為了支持他的興趣愛好，專門為他買了一臺可以用來編程的學習機。黎波就是利用這臺簡陋的學習機，在寒暑假里自學完成了國際信息學奧林匹克競賽的全部題目。

彼時，年少的黎波對于未來世界充滿了幻想，特別是科幻世界中的星辰大海，“滿腦子都是外太空的事情，希望有一天能夠幫助人類遨游宇宙”。帶著這種宏愿，黎波在高考填報志愿的時候義無反顧地選擇了北京航空航天大學，并順利地被名列航空航天學科領域全國第一的飛行器動力工程專業錄取。

進入北航學習之后，一個全新的世界展開在黎波面前。“老先生們給我們講了航空發動機發展的整個歷程、設計上的難點，以及今后發展的方向，給我非常大的觸動和啟發。”前輩的教導讓黎波明白了往往看似非常小的一個問題或細節里面涉及的通常是一個非常龐大的學科，每個公式、符號和參數都承載著龐大的知識和經驗的累積，“需要先把基礎打牢，只有在基礎理論方向做出突破，才能真正在工程中實現創新”。

黎波（中）在加州理工學院畢業時的合影

本科畢業時，黎波由于出色的成績被保送攻讀北航的碩士研究生，進入到王榮橋教授的項目組。“王老師主要研究的是發動機的結構強度，除了做很多實驗外，還要開展大量的數值模擬研究，這是我一直以來特別感興趣的。”計算機模擬在當時也是國內非常前沿的研究方向，王榮橋將黎波帶進了理念先進的發動機數字化設計殿堂。黎波在此期間做了大量的工作，并深入沈陽黎明航空發動機制造廠的一線，幫助他們建立了零部件自動化設計與數值分析系統，同時也發表了多篇重要的論文。

在這個過程中，黎波接觸到了計算力學。這是一門極具挑戰的交叉學科，需要掌握高深的數學理論，深入理解物理與力學知識，并具備非常扎實的計算機理論功底與動手編程能力。“王老師給我推薦了一本《計算材料學》，讀完之后令我大為震撼，發現很多工程上的問題從物質原子到材料結構，從微觀到宏觀尺度，都可以利用數學理論建立一個比較完備的描述和理解，找出背后的物理規律和力學模型，從而幫助你優化設計和創新，確定最佳的解決方案。如果需要通過試驗一個一個盲目地去試錯，一來耽誤的時間太多、成本太高，同時不確定性的因素太多，很難高效地找到一組最優的設計參數。”

古希臘哲學家芝諾曾說過：“人的知識就好比一個圓圈，圓圈里面是已知的，圓圈外面是未知的。你知道得越多，圓圈也就越大，你不知道的也就越多。”《計算材料學》成為黎波不斷攀登科學高峰路上的一塊指示標，也激發了他走出去看世界的想法。

當時，航空航天領域在全世界排名第一的是美國加州理工學院（California Institute of Technology）的航空系。航空系每年從全世界只招收15名左右的學生，這一名額分配到中國，基本上每年只招收一名學生。作為世界頂尖名校，加州理工學院規模雖小，全校只有區區兩千學生和老師，但卻彰顯了卓越和雄心。那里集結了世界上最聰明的學生，還有最具創新性的研究設施，學院的教職員工和校友的貢獻贏得了來自美國和國際科學界的認可，其中包括多項諾貝爾獎的獲得者，幾乎一半以上的教授都是美國國家科學院與工程院院士。

指導學生

2004年，加州理工學院將這一個寶貴的招生名額用在了黎波身上，黎波與他的科學偶像錢學森先生成為校友，在錢老學習和工作過的航空系開始了對未來的探索。黎波在加州理工學院師從于世界著名計算力學家、美國國家工程院與文理學院兩院院士、西班牙工程院外籍院士邁克爾·奧爾蒂斯（Michael Ortiz）教授。這是一位在計算力學領域身處前沿的大家，他的一大貢獻就是把很多純數學理論引入到了計算力學里，為數值模型的合理性提供了堅實的數學基礎。從奧爾蒂斯身上，黎波看到了一位自信且專注的科學家氣質。“他能夠把自己的聰明才智精巧地用到科研上，做出非常重要的發現，從而引領整個科研領域的發展，給了我非常大的啟發。他治學的嚴謹和不斷開創的進取精神也給我的科研生涯帶來非常深刻的影響。”

加州理工學院同美國國家實驗室有著密切的合作關系，包括美國噴氣推進實驗室（J PL）、勞倫斯利弗莫國家實驗室（LLNL）、桑迪亞國家實驗室(SNL)和洛斯阿諾莫斯國家實驗室（LANL）等，黎波的很多項目便是與他們聯手合作開展的。“這種機會非常難得，我可以利用世界上最前沿、最尖端的設備來研究材料科學里面的一些機理性的問題，特別是極端條件下的材料科學問題，這對我建立起科研直觀性的感覺，創立基于真實物理的理論和計算模型并完成驗證是非常重要的。”

黎波與JPL合作的主要研究方向是空間裝置防護結構的設計，防護太空碎片超高速撞擊對空間裝置的毀滅性打擊，同時也能應用于地球對小行星撞擊的防御；同美國國防高級研究計劃局（DARPA）和DoD合作的項目是進行戰場上防護材料的輕量化，設計新型高強輕質材料和涂層，將結構的重量減低三倍以上，還能形成對士兵、戰車和艦船有效的防彈與防沖擊作用；同LANL合作研究慣性約束核聚變產生的壓力和溫度條件下材料的動態響應過程；與SNL合作研究極端條件下材料動力學響應過程的高精度數值模擬方法。來到美國凱斯西儲大學工作之后，黎波依托俄亥俄州工業制造重鎮的優勢，在美國國家科學基金會的支持下開展了金屬增材制造工藝的研究，為降低金屬材料3D打印過程缺陷的生成提供解決方案；在NASA的支持下，他還參與了對外太空冰層覆蓋的小行星進行探索開發的方案設計。通過醫工結合，黎波同國際知名的克里夫蘭診所進行生物力學方面的研究，從微觀上闡釋細胞、細胞與組織之間的相互作用，腫瘤細胞在血液中的遷徙，從宏觀上分析血液與組織的流固耦合，從而為心血管疾病的病理成因及個體化精準醫療方案的制訂提供高效高精度的理論與數值計算模型。

在這些項目中，黎波都是負責提出新的計算理論和模型，創建新的算法和數值仿真工具，對研究對象在復雜工況下的物理行為進行精準的預測，并為產品性能的優化提升提供強有力的支撐。回憶起那段在異國打拼的歲月，黎波言語中依然充滿了興奮：“通宵達旦地做研究，經常工作到第二天凌晨。雖然辛苦，但是非常充實，每一天都在探索新的知識領域，每一次突破都讓我心潮澎湃。在這個過程中，我深刻地體會到了從事原創性科研工作的無上喜悅！”

17年的海外生涯正是黎波科研事業厚積薄發銳意進取的黃金時代。這段時期里，他不僅在計算力學和數值模擬等技術領域碩果累累，更重要的是，在美國寬松自由、求真創新的學術氛圍熏陶下，他完成了一個頂尖科學家所具備的素質塑成。都說機會總是留給有準備的人。在科學探索的這條道路上，黎波正是這樣一位時刻準備好的人。所以這些年來，他總能在研究上一直保持著活躍，源源不斷地做出一系列杰出的原創性工作。

科研報國

17年的美國生涯，從加州理工學院的博士研究生到助理教授，再到凱斯西儲大學終身教授，一步一個腳印。無論是從語言表達，還是生活與工作方式，黎波都已經完全步入了美國節奏——除了胸腔里那一顆跳躍的中國心。“盡管這么多年游歷異國他鄉，但我始終保持著中國國籍，將祖國放在心中最高處，堅信總有一天我會回到祖國的懷抱。”

在黎波的心里，無論是在美國，還是在中國，做科研都要“頂天立地”，一頭深深扎根于基礎研究，解析世間萬物之間相互作用的奧秘；另一頭則與社會需求緊密相連，解決工程上廣泛存在的一個個實際問題，打造出一個嶄新的世界。

這些年來，黎波感受到了西方發達國家對中國的科技封鎖與“圍剿”，也目睹了中國科技界對于人才的渴求和招募，越來越多重量級的海外人才紛紛回國發展，這些戰斗在科研第一線的人才在歸國的同時也把國際最前沿的科學技術和科研方法帶回了國內。盡管他身在國外多年，但是和國內一直保持著聯系與合作，也一直深切關注著國內在計算力學和數值模擬領域的發展，期待著有一天可以回國貢獻自己的一份力量。

“我在國外主持和參與的項目都與國防軍工、航空航天領域相關聯。一方面，我在美國研究尖端的武器裝備；另一方面，國內相關的很多關鍵技術到現在還被美國‘卡著脖子’，這讓我的內心非常的不舒服。”黎波坦言。每念及此，“科學無國界，但科學家有祖國”這句話就在他的心中亮起一道光。回國去！和當年錢學森先生一樣，黎波也希望能用自己的學識為祖國服務，去贏得世界的尊重。

黎波對于中國科研的光明前景充滿了憧憬，隨著經濟實力的提升和國家對于科技事業的重視，中國的科技必將迎來跨越式的發展。“因為有了人才，有了投入，有了國家的正向引導，必將會產生積極的鏈式反應。海外大量人才的回歸，必將推動中國發展出自己的前沿理論和創新技術，推動高科技產業升級，從而進一步吸引更多的人才和投入，形成良性循環。我們有足夠的實力來領跑！”黎波的話擲地有聲。

習近平總書記一直鼓勵科研人員要“把論文寫在祖國的大地上”，將先進的科技成果應用在實現現代化強國的建設中。黎波對此深以為然。他明白，核心技術是花多少錢也買不來的，搞科研攻關，總跟在別人的后面永遠無法做到超越。真正領先世界的尖端技術，只能靠自己一點一滴的積累、一城一池的攻克！工業軟件就是這樣一個領域，它是被國外巨頭所壟斷而對我國嚴格限制的關鍵核心技術之一。

工業軟件被譽為工業活動的大腦和神經，是整個工業數字化的核心底座技術，貫穿了產品的整個生命周期。在推動“中國制造”向“中國智造”的轉型、賦能實體經濟變革中發揮著至關重要的作用。“工業軟件，尤其是CAD/CAE/EDA/P L M等研發設計類軟件，是我們設計、分析、優化和加工制造產品必需的一系列支撐工具。沒有它們，任何創新的工業產品都很難發展出來，更不用去想產業升級了。但是當前中國95%的市場是被國外的商業軟件占據著，國防軍工、航空航天、汽車、消費電子等各行各業幾十年來都一直高度依賴國外商軟來完成產品的研發設計和維護，包括咱們的武器、飛機、空間站、航母等戰略尖端裝備，從定型階段的幾何設計、材料選擇、性能評估、結構優化到生產過程的工藝分析改良和使用過程的工況模擬失效預警直至產品的回收利用，每一個環節的核心工具軟件基本上都是國外的。假如某一天國外對咱們實施封鎖和禁運，咱們的工業就會像人被抽取了意識，后果將不堪設想。”黎波一語道出了目前的困局。國之所需，吾心所向，緊接著他說出了自己的目標，“我回來有一個非常大的心愿，就是能夠通過自己的努力，為解決咱們國家計算機仿真CAE工業軟件的‘卡脖子’危機作出一點貢獻。”這也正是黎波一直以來孜孜不倦努力攻克的科研方向之一。

理想高遠，但是現實中的困難更是橫亙眼前。工業軟件的開發面向對象特殊，科技含量極高，既是一項高難度的科學研究，也是一項大規模的工程應用。它是數學、物理、化學、機械、計算機技術等多個學科的交叉融合，是多領域知識和經驗的結晶，無論是元宇宙、數字孿生、人工智能、工業數字化等各種方興未艾新概念的崛起，還是計算機仿真等基礎概念的延續，都是以算法模型和數據為基礎，以軟件為載體，將動態的物理世界投影到虛擬的計算機空間。黎波也付出了百分之二百的努力，在發展基礎力學理論與先進計算方法的同時，積極推進CAE工業軟件的國產化進程。在歸國后的短短兩年時間內，黎波就發展了一套以嚴格的數學理論與先進的計算數學方法為基礎，充分利用最新的計算機科學技術及高性能計算的C A E仿真軟件，實現了中國在高度非線性顯式動力學數值仿真工業軟件領域從“0”到“1”的突破，攻克了國外商用軟件在求解超大變形、多物理場強耦合、裂紋與碎片云等極端問題中的難點，實現了對材料與結構在逼近設計極限工作環境下性能的高精度預測分析。目前他的成果已被中國工程物理研究院、中國空氣動力研究與發展中心、中國航空發動機研究院等國家級的科研院所采用，同時也擴展到了公共安全與加工制造等多個領域。

在世界向前發展的過程中，工程和科學的各個領域存在著大量復雜的力學問題。極端力學正是這顆力學皇冠上面的明珠。而采用數值模擬的方式來研究材料在極端力學條件下面的動態行為，一直以來都是國際力學界的一個前沿課題。這些關鍵技術將是應用在國防軍工、航空航天，以及工業制造等各個方面的基礎。而黎波回國之后的目標，正是致力于推動這些領域研究的發展，他希望自己的研究成果能夠迅速應用到祖國的航空、航天、國防等裝備制造領域里去，為祖國的強大起到立竿見影的效果。

在國防軍工方面，武器裝備成為軍隊現代化的重要標志，是國家安全和民族復興的重要支撐。黎波希望能用尖端技術改善保衛國家的“矛”與“盾”。諸如高超音速武器，更好的戰車、士兵的頭盔和防彈衣等防護裝置，向國防科技創新要戰斗力，推動尖端武器裝備發展，增強國家安全的硬實力。在航空航天領域，黎波將延續自己在空間裝置防護結構設計優化方面的工作。利用數值建模的方法，他可以通過計算機仿真模擬整個超高速撞擊過程，找到破壞機制和內在規律，進而改善空間裝置的安全性。

團隊在北大校門外合影

在先進加工制造方面，由于受多種成形工藝因素影響，增材制造金屬結構容易形成孔隙、融合不良，以及微裂紋等多種材料缺陷，極大地降低了構件的性能，甚至會引起宏觀的開裂、分層等現象，導致制備過程的失敗，是影響增材制造技術在大型復雜金屬構件制造方面應用的最主要技術瓶頸。黎波通過有機結合無網格方法、變分裂紋擴展算法、相場理論、熱流固耦合技術和高性能計算等先進計算方法，完成粉末尺度金屬增材制造過程的理論分析與高精度數值計算框架的創建，助力其在航空航天、汽車等復雜產品一體成型過程中的大規模應用。

在高速發展的新能源汽車產業賽道，電池作為核心部件之一，其綜合性能和壽命已成為制約新能源汽車發展的瓶頸之一，包括續航里程短、充電時間長、失控起火爆炸等問題都是行業亟須攻克的世界級難題。黎波通過整合他在電化學、熱力學、爆炸力學、微觀力學與材料失效破壞機制方面的研究，建立起電化學-熱-力-爆炸多物理場強耦合計算理論與微裂紋演化-組織生長-缺陷生成的微觀力學計算模型，為新能源電池研發設計過程材料選擇、結構設計、性能評估、使用壽命跟蹤與分析等全生命周期的各個環節提供有力的支撐工具，助力我國“雙碳”目標的實現和新能源汽車產業的“彎道超車”。

目前，國內外分析PE樹脂中添加劑質量分數的方法有很多種[6-7]，其中卞麗琴等[8]通過紅外光譜法快速地測定了聚乙烯中微量抗氧劑的質量分數，表明該方法能夠起到定量的作用。因此本工作也通過表面紅外光譜法來表征樣板表面抗氧劑的析出情況。

樹人育才

計算力學已經成為通向各項工程的橋梁和索道，是國民經濟建設和國防建設服務不可缺少的手段，也是力學學科和高新技術的完美結合。從美國到中國，在黎波看來，硬件上，國內和西方發達國家已經幾乎沒有太大的差別，唯一的差距在于“軟件”。而這里所說的“軟件”，即科研人員的學術思想和創新性，這恰恰是科技發展的關鍵所在。在黎波的頭腦中，國家要成為一流的科技強國必須靠人，創新人才才是一個國家科研界最珍貴的資源。一流的儀器設備可以購買，一流的平臺可以打造，但離開一流的創新型人才，這一切都是空中樓閣和無源之水。

一年之計，莫如樹谷；十年之計，莫如樹木；終身之計，莫如樹人。中國計算力學的發展，顯然不是一兩位出色的科學家能夠實現的事，這需要一代甚至幾代科技工作者的共同努力和求索，向著同一個目標進行一場接力賽。面對全球的競爭，誰擁有更多更好的人才，誰就能在競爭中取得主動，贏得未來。行業如此，國家也是如此。

對于學生的培養，黎波從來都看得很重。在國外的時候，他已經培養出8位博士、4位碩士和2位博士后。自從接受北京大學的邀請任職以來，他就決心扎根于這片土壤，不僅要從事科學研究，更要擔負起立德樹人的重任，培養出更多青年才俊。

在黎波心里，他與學生的關系不僅是師生，還是朋友，更是未來路上讓中國計算力學研究領跑世界的隊友。“學科未來的發展要靠年輕一代，他們是今后開展原創性研究的保障”。在他看來，我國是一個人才資源大國，有充足的優秀生源，但如何培養他們是一個關鍵問題。

由于在國外浸染了多年，黎波對于學生的選擇和要求與“傳統”的老師們有很大的不同。他的目標不是培養只會埋頭書案和在實驗室做實驗的“象牙塔驕子”，他要求學生們必須要和工業界緊密聯系，有獨立思考的能力，有強烈的創新突破和對未知探索的精神。

“我對學生采用一種比較開放式的培養模式，基本上給他的課題對于我自己來說也是很大的挑戰，需要不斷學習，我會引導他去調查研究各種文獻，然后和學生一起在文獻里去尋找和思考哪些技術需要突破，如何突破，再結合自己的經驗給他一些指導。”黎波的授課從來不會照本宣科，總會帶上他的一些獨特理解，而在黎波的“考題”中，也從來沒有標準答案和固定模式，這種方式給了學生們極大的自由度和成長空間，對于提高學生們的成就感和自信心也非常有好處。每個星期的組會上，大家暢所欲言，黎波會分享一些人生經歷和學術經驗，或是探討他在過去實際工程中的思路和問題。一時間，小小的會議室就會化為任由思維徜徉的海洋。

黎波十分重視為學生提供實踐的機會。“在北大，有很多創新研究院，我一般會讓學生到研究院在真刀真槍的工程實踐里面去解決問題，應用他學到的知識和技術。”深入一線和工程緊密結合，了解國家的需求。黎波的目的是為了讓學生們明白：中國要強，中國人民生活要好，必須有強大的科技和國防力量的支撐。一流的科研是能夠助力解決國家重大工程實際問題的，而不僅僅是以發表論文作為最終目標。作為民族復興激流中的一朵浪花，只有始終把個人理想與國家的需要、民族的前途命運緊密聯系在一起，取得的成就才能體現其真正的價值。

魯迅先生曾經說過，世間本沒有路，走的人多了，也就成了路。但是在科學的道路上，黎波并不滿足于擠在熙熙攘攘的人群里亦步亦趨，他希望能夠走出一條屬于自己的精彩軌跡。為此，年輕的博導帶領著比自己小不了多少的年輕學生們正朝氣蓬勃地在科研之路上奮力奔跑著。然而這條道路注定并不輕松，黎波時常會把這個過程形容為新時代的科技長征，有敵人的封鎖“圍剿”，有惡劣的外部環境，即便在如此逆境中，他帶領著自己的團隊依然“翻雪山”“過草地”，勇探“無人區”。“歷史上的長征，紅軍如果沒有堅定必勝的信念，沒有戰勝一切困難的意志，沒有人能走完這么漫長的路程！”黎波感嘆道，“以科技創新助推中華民族偉大復興，是我們這一代科技工作者的歷史使命。新時代的科技長征路，我們也一定會傳承先烈的精神，百轉千折，勝利地突圍而出！”