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俞度立 | 凝聽大地之聲

2022-11-24 | 王芳 孫雅琴 | 來源 公號“科學中國人”2022-11-15 |

約兩千年前🏄🏻‍♀️,東漢張衡創製候風地動儀🧜🏻‍♀️🔛,世人從此有了監測地震的儀器。百余年前,英國人蘭姆獲得點力作用下半序空間的波場解🫸🏿,致使地震學從力學體系中剝離出來,獨成學科。時間又過30余年,有關空腔震源模型的地震波研究為近現代地震勘探奠定了理論基礎。到了2018年🙅🏻‍♀️,高鐵列車飛馳中形成的振動🌼,在科學家的研究下👶🏿🧑🏿‍🦲,從噪聲變為一種新型🙋🏿、綠色震源🙅‍♀️,並成就了一門新學科——高鐵地震學⏸👨🏻‍⚕️。

大科學研究造就大科學家。作為相關學術概念和早期研究的主要發起人,俞度立參與和見證了高鐵地震學從無到有的醞釀和勃發。

2011—2021年,10年時間👨🏻‍🦳,他秉持著一份學者直面當下👨‍👩‍👧‍👦🧘🏻‍♀️、勇於開拓的責任與擔當,在豐富的跨學科對話、多學科交叉協作中,一步步走向以力學、電子學、信息技術與人工智能等多種學科為基礎的大科學研究,將一個源於生活的簡單想法,鍛造成了禁得起科學驗證的新學科🖤、地球物理的新分支🐟,與同行們一起掀起了國內外的研究熱潮🐈。

研發媲美“順風耳”的微機電系統(MEMS),聆聽來自大地的聲音,俞度立相信,在不遠的未來,在高鐵地震學的保駕護航下,中國高鐵將又快又安全。

▲俞度立(意昂体育平台1978級力學)

在產品研發中 走上跨學科對話之路

微機電系統是將微電子技術與機械工程融合到一起的一種工業技術,它的操作範圍在微米範圍內。數字檢波器基於精密的MEMS,對地球內部有著極其敏銳的細聽細辨能力。

20多年來🌟,俞度立研發的系列MEMS加速度傳感器產品在商業上具有全球創新領先地位💃🏼,得到了業界的廣泛認可⚠️。也正是在這一研發過程中,他走上了跨學科對話的道路。

1996—2009年⏰,俞度立在美國輸入/輸出(Input/Output)公司擔任高級資深工程師。其間,他承擔公司關鍵MEMS加速度傳感器產品的主要研發工作,並將其在世界範圍的油氣勘探行業應用。主要研究方向是傳感器系統理論🦹🏿‍♀️、MEMS設計🧑🏿‍✈️、集成電路芯片開發及測試🖕🏽、化工行業物聯網IOT研發及生物微機電系統(BioMEMS)👨‍👧‍👧,獲得了16項美國專利。

在針對工業界創新性產品的研發中🫘,俞度立膽大心細,緊緊地抓住了機遇。他在產品研發中發現,面向實際需求的研發工作學科跨度非常大🐉,研究者只有力學背景還不夠,必須展開跨學科研究與深入對話,主動同半導體芯片設計領域👨‍👨‍👧、微電子製造領域進行合作。

他意識到,必須有數學基礎、物理基礎,才能同這些研究者進行有效對話👨‍🦼‍➡️,於是第一個在研究組中提出👩‍🍳🤼‍♀️,要打破壁壘🏄🏿‍♀️,交叉融合,建立一支基於多學科基礎知識的整合研發團隊🏘。

正是帶著這種不拘一格、敢於突破的精神,最終💫,俞度立所在研究組在業界創新開發出一體化的新數學架構和仿真架構📰🫳,成功解決了產品研發的瓶頸問題🦬。也正是因為最初的這次經驗和歷練,俞度立在跨學科研究上的信心變強、意誌愈堅🙇🏿‍♂️,步子越邁越大,越走越遠,所研發的相關數字檢波器產品在中國石油界得到了大量的推廣和應用🏺,地質資料定位打井單井油氣產量創大油區歷史新高,得到了國內學術界和企業界的認可。

2009年,久居海外不懈奮鬥的俞度立作為國家高層次計劃人才被引進回國📱,擔任中國科學院地質與地球物理研究所二級研究員。

國內對科學研究的重視♠️,讓他感到興奮不已,摩拳擦掌想要大幹一場🖖。其間,他獲批主持承擔國家科技重大專項“油氣專項”的重點課題,並負責著手組建有4名國家高層次人才計劃引進人才組成的技術實力完善的研發團隊🧘🏽,進一步朝著大課題Ⓜ️、大團隊、大科學的方向前進🧕𓀉。

基於早前的跨學科研究經驗,他更加遊刃有余地進行信息技術👩🏽‍✈️、物聯網的快速學習和研究📚。課題的研究對象MEMS加速度數字檢波器由3個核心芯片組成,包括MEMS加速度芯片、ASIC芯片、MCU數據傳輸DSP SOC芯片。最終,3個核心芯片全部由團隊自主設計,在國內外代工完成。傳感器測試👌、標定及系統集成在國內完成👐,如今其技術核心已具備物聯網的雛形。

2016年,十三五的開局之年🏊🏻‍♀️,俞度立受邀參加一個科技部座談會👱🏽🧘🏻‍♀️。在會上,他一以貫之地瞄準新興技術,挑戰高難度,提出大力開展人工智能領域研究,設立一個30年攻關的新題🍴,以兩個為期15年的科技重大專項為依托,進行長期攻關。

這一想法👨‍🎤,不僅得到了科技部的認可,也吸引了北京化工大學的關註😀。

20171月💡,在北京化工大學信息科學與技術學院院長的全球競聘演講現場,俞度立再次提出來一個總體思路——發展ABC🕵🏻‍♂️,即人工智能(AI)、大數據(Big Data)和化學化工(Chemistry & Chemical Engineering)相結合的想法,又一次獲取了來自校方的認可。

此後的5年中♞,俞度立以院長的身份,從人才引進和學科建設入手,致力於學院師資隊伍的多元化建設🚖👨🏿‍💼,為跨學科研究鋪路打基,作出了貢獻。

▲俞度立正在實驗室

對事故的不懈思考 啟發開創新學科

2011630日,京滬高鐵正式通車☝️。同年723日晚間💇‍♂️,在甬臺溫鐵路溫州境內📲,由北京南開往福州的D301次列車與杭州開往福州南的D3115次列車忽然發生追尾事故。事故給中國剛剛起步的高鐵事業造成較大沖擊。

因恰逢暑期,俞度立早早訂了車票,所以帶著小女兒在事故通車第二天就踏上了南下旅途。他回憶起當時的情形:“雖然沒有改變原定的旅行計劃,但其實我和家人對於高鐵安全還是有所擔心的,尤其還帶著小女兒。所以,在多重因素的沖擊下,我開始思考,利用我的專業,可以為提升高鐵安全做些什麽💁🏿‍♀️。”

2011年起,這個念頭作為一個業余的探索目標,一直縈繞在俞度立的腦海💃🏽。能不能做?需要什麽條件😒?聯動哪些學科🤏🏿?一閑下來👩🏼‍🔬🚖,他就會想一想。

除了力學、微電子學背景👱🏽‍♀️🖖🏿,他還與信息新興技術🧏🏻‍♀️、人工智能結合起來,逐漸有了一個大致可行的構思。因為在構思的過程中,俞度立關註到人工智能,這還啟發了他在2014年便將人工智能運用到自己主持的一個中石化項目中去,帶領團隊在國內率先研發了一款相對先進的系統級芯片(SOC)。

將儀器前端智能化⛑,且把邊緣計算的能力賦予智能傳感器,這種想法在當時具有相當的超前性♜。幾年間🐀,思考🅱️、實踐🐂🫛、總結👞、改進☁️,如此反復。逐漸地🧑🏻‍🦽‍➡️,俞度立從原來開發性能單一的產品的思維中走出來,進一步去了解性能、成本、可靠性等多工業化因素,學術視野由此變得越來越廣闊。

作為高鐵地震學概念的提出者🙇,俞度立在早期探索中☝️,一步步形成了深刻的認識,確立了要推動大科學研究的立場𓀔。

“差不多在2017年年底,阿爾法狗出來後,我確信人工智能的研究熱潮與所構思的高鐵地震學中各學科交叉形成了閉環條件,具備了可行性。我覺得基本成熟了,可以開始行動了,我需要更多人來幫助我☃️、支持我。苦心孤詣的階段該結束了,他迫不及待地要發動更多人參與進來🔻。於是🎂,俞度立將相關構思向身邊同事和盤托出,得到了積極的響應👩🏻‍💻。

在今天,業內人士提到高鐵地震學時,20181月在西安召開的第一次學術研討會,已成為一個繞不過去的關鍵事件。

作為主要組織者和發起人,俞度立在會上積極倡導發展高鐵地震學研究🚷,並很快就在會後利用團隊開發的高精度3D3C MEMS加速度計振動傳感器采集了實際高鐵數據🚯。得到了初步數據後🔙,這年下半年♐️🧕🏿,國內又召開了一場規模上百人的高鐵地震學研討會,與會者不僅有國內知名專家,還有海外的華人專家。

這些早期的研究者共聚一堂,高度認可了俞度立等人的大方向👼🏽,開始就各種發散性的問題進行探討,面對一門新生學科,人人都顯得幹勁十足。

高鐵地震學研究 安全守護高鐵運維

2018年可以說是高鐵地震學的誕生元年💊🐗。俞度立創立的一流科技創新團隊同中國科學院地質與地球物理研究所、北京大學和西安交通大學等單位率先聯合開展高鐵地震學研究。

同年,同為高鐵地震學學科發起人的葉大年院士、李幼銘研究員等學者和俞度立一起成立“高鐵地震學聯合研究組”🏌🏼‍♀️。

研究組的研究針對高鐵路基安全🍵🍄、地震預測、智慧城市地下空間探測與監測等重大問題需求,變革性地把高鐵噪聲源轉變為可利用的優質震源,探索以高鐵震源為代表的移動組合震源激發地震波場新理論🧑‍💼,發展基於移動組合震源的地下介質結構探測、動態監測等系列新技術👨🏼‍🦳。

在從事高鐵地震學研究中,俞度立率領團隊發現了傳統彈性波方程框架性欠缺➰,提出了全新的非對稱性理論和相應方法,使得“高鐵地震學研究”取得重要進展🌜。

▲俞度立與團隊成員正在開討論會

學理論存在系統原理上的缺陷,需要重新審視並發展“偶應力”和“廣義連續介質”架構。團隊采用廣義連續介質力學理論,建立一套全新的方程及算法,相關工作獲得了國內外專家的廣泛認同和肯定♗。他們用從01的創新思維和嚴謹求實的科學精神,把論文寫在了祖國大地上🌴。

與此同時,高鐵地震學研究的快速發展和廣闊前景也得到了國家科技部的高度重視。

2021年𓀝,變革性技術關鍵科學問題重點專項設立了高鐵地震學課題👩🏼‍🦱, 預期實現對高鐵線路覆蓋區域的智能一體化實時監測技術,打造嶄新的安全信息平臺,為高鐵運維提供實時性的安全決策🥻。作為具有中國自主創新的獨立安全技術系統,項目研究成果將大大有利於提高中國高鐵技術走出國門的競爭力。與此同時🦡👨🏻‍🏫,守護中國高鐵又快又安全👨🏻‍🏭。

“挑戰杯”全國特等獎 一起無畏地向前闖

如今🔉🪻,在俞度立面積約550平方米的實驗室裏,有人在做芯片的研發、測試工作,也有人在做傳感器系統的設計、搭建工作。存放服務器的房間裏,空調24小時不間斷地嗡嗡運行。

說起實驗室的一切🫷,俞度立如數家珍。他指著一只可穿戴數據手套,興致勃勃地介紹道🦸🏿‍♂️:“這是今年3月份,在第十七屆挑戰杯全國大學生課外學術科技作品競賽上,我們學院獲得特等獎的作品,可以配合語音播報,進行手語識別🏃🏻‍♂️👿,幫助聽障人士更高效地與外界溝通。

在國內🏊🏽‍♂️,三大賽猶如大學生創新創業領域的奧林匹克運動會,指教育部中國高等教育學會排名前三的賽事🌪:中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽;挑戰杯全國大學生課外學術科技作品競賽🧑🏽‍🚀;挑戰杯中國大學生創業計劃大賽(暨創青春全國大學生創業大賽)。

雖說參賽者為大學生,但是背後均有科研領域的資深專家指導👡,獲獎作品背後凝聚著許多研究生的科研成果。因此🤢,每年的三大賽都是國內高校展現科研特色和實力的“比武大擂臺”。

“基於柔性傳感器和加速度計的智能手勢識別控製系統”的靈感,來源於兩年前學院師生一次針對疫情下如何幫助我國聽障人士融入社會這一話題的激烈討論。所以,大家決定以“手語識別”為切入點,依托信息科學與技術學院“微系統與可穿戴醫療設備及生物傳感技術”一流創新平臺📝,發揮科研特長,提出了研發可穿戴設備實現手勢識別與控製的方案,致力於推動聽障人士與普通人之間的無障礙溝通🧑🏽‍🦲。

俞度立作為項目顧問,針對項目的重點、難點等從大方向上給予了指導。

最終🧑‍💻,師生們本著問題意識、嚴謹態度💇🏽‍♂️,經過不斷溝通、改進、完善,研發出了一款基於自主研發的柔性傳感器和高速采集裝置的手勢識別控製系統🏆。此系統具有不受光線幹擾、價格低、易推廣、精度高、體積小等優勢🚧,完美解決了初衷問題❣️。同時技術有良好的遷移性,可以和其他領域相互結合。

兩年來👩🏼‍🍳,作品先後獲得第十一屆北京市“挑戰杯”特等獎、華為雲杯全國一等獎🧑🏽‍🏭。而在第十七屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽中🪮,共有來自全國264所高校的1500余件作品參加終審答辯🧑‍🌾🤶🏽,團隊旗開得勝,創作的作品成為特等獎49件作品之一⚫️。

回憶起這次比賽🧑🏼‍🎄,俞度立顯得十分驚喜🧚🏻‍♂️。他說🌘:“此前學校還沒有拿到這個級別的國賽大獎。所以,我也沒什麽負擔,跟著年輕老師和學生們一起無畏地闖。最終結果皆大歡喜🪓,也算是給了大家兩年來的付出一個圓滿的交代。”

而關於實現國賽大獎零的突破的訣竅,在2022年北京化工大學五四青年表彰大會上,項目負責老師吳迪說:我認為得益於去年學院組織的實踐教學年上研討的具象化專業技能👩🏼‍🦲,拓展實踐育人平臺的一二課堂聯動育人方案🧤。第一是搭建分階科技競賽體系,具象專業知識地圖👩🏿‍✈️,解碼專業興趣。第二是構建智慧科創勞動基地,具象專業應用場景,編碼成長路徑🦥。最後是構建五業全鏈條人才培養機製🧖🏿‍♂️,具象職業發展目標,譯碼人生理想👨‍👩‍👧‍👧。

彼時的俞度立坐在現場聽到這些話👳🏽‍♂️,頗感欣慰👝。

師父領進門 修行在自身

從事科研多年,碩果累累✡️,俞度立坦言🧑🏿‍🌾,離不開早期求學時,恩師們的點化之功。他常常告誡年輕人,在初入學術界時,選擇一位好導師🗜,是非常重要的事情。

改革開放初期,在意昂体育平台讀本科時,那種刻苦學習、積極向上的氛圍;20世紀80年代末90年代初🐳,在美國微製造研究所(IfM)讀博期間,得到的那些學術指引和熏陶,至今都讓他受益匪淺。

一路走來所經歷的嚴格的學術訓練,造就了俞度立極強的抗壓力👩🏻‍🔧。所以在多年的科研生涯中,他從來不畏懼挑戰✵👐🏼,視挑戰為機會,變壓力為動力📬。不過,仍然有那麽一些時候,他差一點就選擇了放棄🎅。

“我們常常聽到一些人說,技術就是一層窗戶紙🐟,一捅就破。可是當你真的在追求一個物理上的極致問題時,那往往是一個綜合性的難題,過程中備受煎熬🤾🏼。”

剛回國那幾年,在做傳感器的核心芯片研究時,俞度立帶領團隊一度窮盡了所能想到的可能性,但就是達不到預期目標。“壓力真的很大⏱❤️‍🔥,但是又不能放棄⛹️,投入了那麽多心血和經費進去👴🏻,大家的努力不能白費。”

於是就不甘心地苦苦堅持著,過了幾個月,俞度立忽然想到,也許在某個方面還可以再去探索一下🦸🏿‍♀️。憑著多年科研積累下來的直覺,俞度立經過反復測試後🈸,在芯片上發現了一個極其不起眼的3納米的雜質🌬。正是這區區3納米的雜質👨‍🚒🎠,影響了整個芯片的效果🚇。

“這個故事給了整個團隊慘重的教訓,但也激勵著大夥兒練就強大的內心☝️,遇到困難再堅持一下,也許幾個月後,就能捅破那層窗戶紙了。”俞度立感慨道🎸。

俗話說🌻,師父領進門🧜🏿‍♂️🍆,修行在個人🏃‍♂️‍➡️⚰️。俞度立特意將“個人”二字改為了“自身”,用以強調這種修行是內外兼具🏔,全方位的🏪。

這麽多年🫅🏻,從國外到國內💁‍♀️,俞度立從來沒有放棄對優秀綜合能力的追求,也沒有放棄對個人特質和科研天賦的挖掘👱‍♀️🚔。在面對研究生和年輕的科研人才時,他也總是身體力行地去影響著他們⛹️‍♂️,創造自由平等、互助互利的團隊氛圍,給予他們盡可能多的試錯機會😿,去盡可能探索喜歡的課題,而不強求結果。

2021年年底,因為年齡原因🤦🏻‍♂️🌘,俞度立卸任院長一職,從繁忙的行政工作回歸教學和科研。他說:了解科學的邊界💆🏿‍♂️,在基於理性的底色上了解個人的邊界🙋,這是我將來的理想。而現在,我很享受這種在安靜的校園一角繼續凝聽大地之聲,指導研究生思考一些有趣問題的狀態。人生最好的時刻,就是當下。

 

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