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ZZ:小昆虫飞出大世界——记2013年度国家自然科学二等奖获得者
[版面:北京航空航天大学][首篇作者:doubledomer] , 2014年02月05日22:24:32 ,675次阅读,0次回复
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发信人: doubledomer (Rudy), 信区: BUAA
标  题: ZZ:小昆虫飞出大世界——记2013年度国家自然科学二等奖获得者孙茂教授及其团队
发信站: BBS 未名空间站 (Wed Feb  5 22:24:32 2014, 美东)

http://news.buaa.edu.cn/dispnews.php?type=1&nid=106089&s_table=news_txt

人们身边常有昆虫飞过。小的只有小米粒般大小;大的,比如蜻蜓,翅长也不过5厘米
。它们能悬停、跃升、急停、快速加速和转弯。我们在惊叹其高超飞行技能之余,很少
会进一步想这些昆虫为什么会飞?怎么样才能使这些昆虫飞得更加平稳?支持昆虫体重
的力是如何产生的?……孙茂教授怀着对昆虫飞行的强烈好奇心,带领他的研究小组十
几年如一日,研究果蝇、蜜蜂、蜻蜓等昆虫飞行的空气动力学和力学原理,经过长达16
年的系统、深入的研究,揭示了新的气动力机理,完善了拍动飞行的空气动力学,完成
了从基本方程建立到动稳定性和可控性分析一整套工作,对昆虫拍动飞行外部力学领域
的发展起了实质性推动作用。他们研究了16年的心血——昆虫飞行的空气动力学和飞行
力学项目获得2013年度国家自然科学二等奖。20篇代表性论文被他人大量引用;升力和
能耗的研究结果被著名刊物 J. Exp. Biol.三次撰文介绍;飞行动稳定性和控制的研究
结果被国际权威综述刊物 Progress in Aerospace Science和Non-linear Dynamics 用
大量篇幅综述;项目组中一名博士生获得全国百篇优秀博士论文奖,一名博士生获得全
国百篇优秀博士论文奖提名奖。

瞄准国际前沿

团队负责人孙茂教授1978 年毕业于北京航空学院空气动力学专业,1981、1983年分别
在美国普林斯顿大学航空工程系取得硕士和博士学位,1983-1985 年在美国马里兰大
学做博士后工作。回国后孙茂主要从事飞机、直升机的研究工作,但他发现力学作为古
老的学科已经有几百年的历史了,经典力学已经有非常成熟的理论。他想寻找能够做到
国际前沿的新的研究方向。

一个偶然的机会,孙茂看到了一本生物力学的书,发现动物飞行与游动方面的研究大多
是定性研究,没有定量研究。飞机是如何飞的已经能够很好的解释,而昆虫是如何飞的
,则没有理论能够解释,他就希望将航空科学中发展起来的计算流体力学方法和飞行力
学理论引入生物学领域,并与新的实物观测技术相结合来进行研究,以期达到该领域的
国际前沿。

带着科学家原始的好奇心,孙茂于20世纪90年代中期开始了昆虫飞行的空气动力学和飞
行力学的研究,用流体力学的专业知识去解决生物学上的一些问题成为了他关注的新方
向。

上世纪90年代,人们对拍动翼的升力机理的研究只有初步结果;对拍动飞行的能耗、稳
定性及控制的研究是空白。孙茂教授和他的博士生们利用生物学家们的一些原始数据对
昆虫的飞行进行力学方面的研究,系统深入地研究这些问题,以期为微型飞行器研制提
供力学基础,为昆虫生物学研究提供力学依据。

发现昆虫飞行之美

研究之初,他们发现,昆虫飞行时,翅膀快速拍动和翻转,产生平衡重量的升力。因翅
膀尺寸小,故相对空气的速度很小,从而,无量纲升力很大,是飞机机翼的三倍。已有
理论不能解释此“高升力”。剑桥大学科学家用较大的昆虫进行了流动观测,用机械模
型进行了测力实验,但因无法得到流动细节,不能完全解释高升力机理。

孙茂教授带领他的研究生经过16年的潜心研究,揭示了二个昆虫产生非定常高升力的新
机制;指出影响不同昆虫拍动翅的气动力系数的主控参数为雷诺数且飞行的能耗随飞行
速度的变化关系近似为J形曲线,而不像飞机的那样为U形曲线;揭示了昆虫飞行是动不
稳定的,但该系统是可控的。研究结果为设计开发新概念微型飞行器提供重要的力学基
础和有益的启示;同时,为的研究昆虫生理学、行为学、神经生物学等提供力学依据。
哈佛大学生物力学家E. Tytell在J. Exp. Biol [2004,207(7)]的评论专栏中指出:在
Sun和Du发表于Acta Mech.Sinica上的论文中,他们实现了实验研究者不敢想的‘梦想
’。”“他们还作了一个令人感兴趣的预测:尺寸大的昆虫可以从肌肉的弹性储能作用
中获益。更重要的是,他们的工作表明了计算流体力学在这类研究中是大有可为的”。
国际权威综述刊物 Reviews of Modern Physics(影响因子 43.9)也于近期邀请孙茂
教授写该领域的综述文章。

成绩的取得让人欣喜。但具体的工作做起来也特别难、特别枯燥,非常考验人的意志。
团队成员杜刚说,有时候在写程序时,由于一两个语句写错,自己看不出来,会用几个
月的时间来发现,当时非常苦恼、难受,对人也是一种磨练。

在实验室做实验时,孙茂和他的学生用高速摄像机拍摄这些昆虫飞行的瞬间,而要想拍
到有用的照片,必须得有耐心。昆虫翅膀1秒钟拍动约150次,相机1秒钟拍5000张,照
片拍下来了,但要得到真实有用的数据也是一件非常枯燥的事,一只虫子飞一次,就得
处理少则几千张,多则上万张的照片,有时候光处理一只虫子的数据就得几个月。

但是,只要有一点科学上的发现,孙茂和他的学生们就会特别开心。2004年的春节,孙
茂教授在家研究昆虫飞行的稳定性,建立数学理论模型,越推导越感兴趣,过年那几天
,在家里连着工作几十个小时也不觉得累,结果出来非常开心,“非常有乐趣”,孙茂
教授兴奋的说。16年,孙茂和他的研究小组在昆虫的王国里不断地发现着科研的乐趣,
同时也发现了昆虫飞行之美。

纯粹的学者

孙茂教授在学术上的严谨对学生们印象深刻,并深深地影响了他的学生们。吴江浩、杜
刚、兰世隆对孙茂教授的评价惊人的一致:“孙老师是一个非常纯粹的学者,现在像孙
老师这样的人非常少见。”

孙茂教授的学生说,孙老师特别好找,他不在家、就是实验室或者办公室。他的生活非
常简单,除了在外地开研讨会他会带手机,平时孙茂教授不用手机。他的家里也非常简
单,客厅只有一套乳白色的沙发,一个电视,写字台很旧。他低调、不喜欢曝光,他生
活朴素,还是个“半素食者”。

“现在孙茂教授这样的学者非常非常少。”他所有的学生都一再地这样说,因为他们都
特别敬佩孙茂教授的修养及职业操守,“被利益吸引的东西都被他屏蔽掉了,他是一个
纯粹的学者。”

近二十年来,孙茂教授和他的研究小组非常专注、全身心地投入昆虫的研究,得到三次
国家自然基金委的重点基金支持,没有一个横向课题,甚至有个别大的项目邀请孙茂教
授做首席科学家,那样会拿到更多的经费,但都被孙茂教授婉拒了。十几年来,孙茂教
授的脑子里一直想的是昆虫的力学研究,杜刚说,在和孙老师散步时,孙老师会突然蹲
在路边,在那里写写画画,或者用手模拟昆虫翅膀的拍动,非常专注,全身心投入。兰
世隆说,他特别难忘和孙老师讨论的场景,当时他住9号楼,放学后和孙老师一起边讨
论边一起回宿舍,快到9号楼时,两人就站在荷花池边讨论,有时候到了9号楼了,但讨
论的问题还没说完,两人就又沿着校园再走一圈。当有了想法或者结果出来了,兰世隆
还清楚地记得孙老师的高兴劲儿,说他自己也很受感染,非常兴奋。

“孙茂教授教给我一种科研的态度”

每周三上午的组会是孙茂教授研究小组每个人都印象深刻的事情。在这里,孙茂教授和
他的学生们讨论该领域的国际最前沿的研究成果、交流每个人自己的发现。即使已经毕
业的吴江浩、杜刚、兰世隆、张艳来、刘彦鹏,只要这天有空,也会雷打不动地参加这
个思维碰撞的组会。因为做实验、做科研的一些疑问,在这里通过质疑、讨论、交流,
一般都会解决。

孙茂教授说:“师生之间的交流与讨论往往碰撞出思想的火花。”他认为营造并维持相
互争论、质疑、和批评的学术氛围和环境非常重要。孙茂教授常常教育他的学生:做学
问做得好要看是否得到国内外同行的认可,是不是真地作到了最好。

研究小组的成员无一例外地谈到了孙茂教授教给自己的一种做科研的思维与科研态度。
吴江浩说:“孙老师教给我一种科研的态度。他做学问的严谨、认真、热情深深地影响
了我”;兰世隆说,孙老师的学术思想和对科学的好奇心会影响自己的一生。他希望大
学里多一些孙茂教授这样的学者、这样的教授。杜刚现在在能源与动力工程学院工作,
目前主要做发动机方面的研究,他说,虽然现在的研究和昆虫是两个概念,看上去毫无
关联,但是,在孙老师处学来的学习能力和科研思路对自己很有帮助。他甚至发现,做
昆虫研究的一些模型和理论也可以推广到发动机上来。  

孙茂教授研究小组的实验室在北航东南门旁边的一栋毫不起眼的三层小楼里,小楼外长
着几颗高大的常青树,以及更多地向上生长的小树,小草青青,在这个不太寒冷的冬天
充满了生机。该研究小组的成员说,北航多的是耐得住寂寞的学者和团队,孙茂教授的
研究小组也是其中的一个。他们认为,一所大学真正流传下来的东西,不是有多少大楼
,而是一种理论的流传,学校可以没有高楼,但不可以没有学术的力量、学术的精神。

(贾爱平)

编辑:廖 行
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