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陈焱:“可动”的心 “可展”的梦
2013-07-08 10:50:14   来源:   评论:0 点击:

       可展结构、重构机构、折纸结构,这三个看似不相关的领域,却在一位牛津大学女博士十余年的研究中得到了统一。她就是天津大学机械工程学院的陈焱教授,一位出类拔萃的海归女青年科学家。
从专业角度,陈焱博士将她的研究领域概括为“可动机构”——以机构运动学为核心,研究可展结构、重构机构、折叠结构的基础理论及其在航空航天结构、机器人、轻质结构和医疗微结构中的工程应用,这是一个机构学、结构学、力学等多学科交叉的研究领域。
科研,就是一步一个脚印
      陈焱在牛津大学攻读博士学位时,研究方向便是可展结构。作为一种特殊而新奇的工程结构,可展结构可以在保持常规结构的基本承载功能的前提下大范围、大尺寸地改变几何形状以适用于多种应用需求。在普通的日常生活中经常用到的雨伞、折叠椅都是典型的可展结构。在过去的一个世纪里,航天工业的发展开启并推动了可展结构的科学研究。如今,针对可展结构的研究已经从航天领域延伸到了土木工程和医学工程领域。无论是美国国家航天局、欧洲航天局,还是中国的科研院所都对可展结构的研究做出了大量的投入。然而,大多数设计和研究工作仍然停留在由单个需求引起的服务于应用的阶段。陈焱博士在解决了一系列的高度非线性几何协调和运动协调等约束难题后,在国际上首次提出了一种设计可展结构的全新的系统方法——几何覆盖法。基于这种方法所获得的可展结构具有单一自由度、几何过约束、纯转动副连接、模块化设计和冗余刚度等特点,在控制简易性和承载可靠度上有明显的优势,在太空和土木结构中都有广泛的应用潜力。作为原创性研究的一部分,陈焱博士的拱形可展结构获得了国际发明专利的授权。
       在研究可展结构的过程中,陈焱博士在机械工程的一个重要基础学科——机构运动学领域进行了大量的研究。作为机构运动学研究领域世界知名的新生力量,陈焱博士在过约束机构领域做出了大量新颖的工作,先后发明了三大类新的过约束空间机构。同时,空间机构的分叉行为是众多学者需要努力发现和避免的。然而,陈焱博士对分叉却偏 爱有加,对空间机构奇异性和分叉理论的研究取得了重大突破,利用发现的一类拥有多个分叉点,多种运动路径,从而形成分叉闭合环路的特殊空间机构来设计重构机构。她还系统发现和研究了具有多闭合态的机构及其不同闭合态之间的转变方法,并将其应用到多功能机器人等工程问题之中。
       近年来,陈焱博士将空间机构的运动学研究拓展到了一个有趣数学研究领域——折纸。近些年来,国际上该领域最为困难的课题之一就是刚性折纸。一般来说,研究人员都是从纯数学的角度对它进行分析,并且提出了几种方法来判断已知折痕分布的折纸结构的刚性。而她率先从机构运动学角度来分析和设计刚性折纸的折痕分布,提出了新的刚性折纸的折痕分布。不仅如此,她还将折纸的研究进一步深入到结构和材料设计领域,并取得了令人兴奋的突破:一方面,将特殊的折痕分布引入到薄壁壳体结构中,很好地改善结构的能量吸收性能;另一方面,发明了使用折纸结构为夹层的新一代的三明治结构。这些新型结构可以广泛地应用到航空航天轻型结构和汽车等运载装备中。
      就这样,在长期的钻研中,陈焱博士以可展结构、重构机构、折纸结构为基础,形成了可动机构,一个多学科交叉的研究领域。
 创新,需要一颗“可动”的心
      陈焱博士对机构有着强烈的兴趣。每到一个新的地方,她总是到处寻找奇特可动的机构。她认为之所以可以在这一行一干就是十几年,还干出来一个世界前沿的研究领域,就是因为她找到了科研与兴趣的完美结合点。
无论开会还是讲学,陈焱博士总是随身带着相关的模型。她说:“可展结构的优势就是可以折叠起来,如果不能把它们装进包里,就是我们设计的失败。”同样,每个参观陈焱博士办公室和实验室的人都会被各种各样变来变去的结构和机构深深吸引。而通过她的讲解,又被每个模型背后的研究难度所震惊。这份科研热情成了她不断创新的源动力。
       要进行交叉学科的研究,需要有广阔的视野和基础。陈焱博士的本科专业是固体力学,硕士研究生阶段专业为计算力学,博士研究方向为结构工程。这样的多学科教育为她的交叉学科研究提供了坚实的基础。她还认为,在与不同学科同仁的合作中,要有学习的心理和服务于他人的姿态,否则,交叉学科的合作很难顺利进行,更别提取得突破性的成功。
       在学生的培养方面,陈焱博士也将兴趣与创新放在首位。回国之前,她曾在新加坡南洋理工大学任职七年,拥有本科生和研究生课程的丰富教学经验。她的研究课题也吸引了很多博士研究生、本科生甚至是高中生和国际学生。她戏言,很多学生都是被有趣的模型“骗”来的。有趣的课题和她耐心地指导激发了学生的研究兴趣和决心。而后,他们或是在各自的大学、新加坡当地以至国际竞赛中获奖,或是在国际刊物和会议上发表学术论文,例如,基于Bricard 机构的可开合屋顶学生项目获得了2009年由英国工程技术学会(IET)主办的世界学术报告全球总决赛的冠军。据了解,由于突出的成绩和研究成果,两名本科生获得南洋理工大学的优秀毕业生奖,更有两名学生获得李光耀奖章。要知道,每年机械学院700名毕业生中,只有5名优秀毕业生和1名李光耀奖章获得者,可见,陈焱博士的“功力”之深。而这些获奖经历更是让他们有机会到世界著名的大学去继续深造,如剑桥大学、斯坦福大学、康奈尔大学、美国的西北大学等。她被由衷地肯定着,两度被南洋理工大学授予“最具有启发性教师奖”。而从过去七年指导学生的经验中,陈焱博士则将指导学生的理念总结为“因材施教、培养兴趣、激励创新、创造机会”。
 回国,圆一个“可展”的梦
       为什么要回国,是每个“海归”要回答的问题。陈焱博士给出的答案是:“圆一个‘可展’的梦。”希望有一天,她设计的可展结构用到中国的航天卫星和空间站上。
       我国广阔的工业环境和需求也为她前期积累的理论基础有效地应用到工业中提供了市场和机遇。
       根据人才成长的一般规律,35岁左右的青年人才是最有创新激情和创新能力的群体。2010年12月,中央人才工作协调小组批准通过了《青年海外高层次人才引进工作细则》,“青年千人计划”正式启动,旨在大力引进一批有潜力的优秀青年人才,为今后10年至20年中国科技产业的跨越式发展提供支撑。这为天津大学和陈焱架起了一座桥梁。
       在国内,天津大学机械工程学院面向世界科技发展前沿、国家科技发展和区域经济重大需求,在能源、环境、航天技术、先进制造技术等领域承担了大量国际合作、国家、部委及企业委托课题,取得了一批具有重要学术影响力和工程应用价值的研究成果,研究实力已在国内处于领先地位,想要取得进一步突破,急需引进像陈焱这样的青年学术带头人。而对陈焱博士来说,与志同道合的研究伙伴一起,在一个拥有充分自由度的环境中继续从事自己深爱的工作,是梦寐以求的理想。2012年,入选国家“青年千人计划”后,陈焱博士加入天津大学机械工程学院,成为“北洋学者-海外杰出青年人才计划”特聘教授。
       回国后,陈焱博士立刻投入到了自己的研究领域和教学任务中。她在可展结构、重构机构、折叠结构等方面的研究和教学正徐徐展开,在机械技术飞速发展的今天,我们期待着,无论是在航空航天结构、机器人、医疗微结构中的工程应用方面,还是在培养机械工程学院后起之秀的育人事业方面,都有这位年轻科学家的身影。

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