把火星搬到地球 訪天津大學(xué)建筑工程學(xué)院教授蔣明鏡

撰文/王懿霖 攝影/袁麗 美術(shù)編輯/丁國明 趙霞

REPORTER'S

NOTES

人物素描

2021年5月15日，天問一號著陸巡視器降落在火星烏托邦平原南部?！胺€(wěn)了！”守在電視前的蔣明鏡看到這則消息，興奮地從椅子上站了起來，握著拳頭歡呼道。

三個月前的這則報道，讓記者有了采訪天津大學(xué)建筑工程學(xué)院蔣明鏡教授的念頭。在這三個月的時間里，記者曾多次聯(lián)系到他，結(jié)果蔣教授不是在出差，就是在出差的路上，好幾次的通話背景都是飛機(jī)廣播催促關(guān)閉手機(jī)的聲音。蔣教授的忙碌讓記者既驚訝也無奈，甚至都有了放棄采訪的想法。終于，這幾天蔣教授回津輔導(dǎo)研究生課題，記者抓住了這次“來之不易”的機(jī)會。

報道中提到，為了能讓“天問一號”順利著陸，蔣明鏡和他的團(tuán)隊(duì)花了兩年時間，在河北省懷來縣模擬建造了一個火星表面。距離地球幾千萬公里的火星，一個亟待探索的未知領(lǐng)域，要將它“搬”到地球上，這聽起來無疑是個天方夜譚，但蔣明鏡成功了。

“我的專業(yè)是研究‘土’，各種各樣的‘疑難土’，比如火星的‘土’，其實(shí)只是我研究內(nèi)容的一小部分?！笔Y明鏡是江蘇人，操著一口地道的“吳儂軟語”，怎么也想不到江南水鄉(xiāng)的溫潤與細(xì)膩培養(yǎng)了這樣一位愿意和土塊、石塊打交道的“硬核”教授。

“我是1982年讀的本科，30 多年來一直從事巖土方面的研究。”單看蔣明鏡的簡歷就有近一頁紙那么多：天津大學(xué)建筑工程學(xué)院土木工程系教授，博士生導(dǎo)師，1986年、1993年在河海大學(xué)獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位、碩士研究生（提前免試攻博），1996年在南京水利科學(xué)研究院獲工學(xué)博士學(xué)位。1998年日本大阪土質(zhì)試驗(yàn)研究所（現(xiàn)日本地域地盤環(huán)境研究所）特別研究員，1998 至2000年日本京都大學(xué)特別研究員，2000 至2003年加拿大拉瓦勒大學(xué)博士后，2003 至2004年英國曼徹斯特大學(xué)博士后，2004 至2006年英國諾丁漢大學(xué)博士后，2006年同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院教授。2018年起天津大學(xué)建工學(xué)院教授、副院長。2010年起出任國際土力學(xué)與巖土工程協(xié)會TC105 委員會副主席（蟬聯(lián)），2009年獲國家自然科學(xué)杰出青年基金，2014年入選國家百千萬人才工程。第二十二屆黃文熙講座人，Elsevier 公布的中國高被引學(xué)者（2019、2020年），美國斯坦福大學(xué)發(fā)布的全球前2%頂尖科學(xué)家（2020年）。國家自然科學(xué)基金工材部咨詢委員會專家、水利口會評專家、國家自然科學(xué)獎會評專家，國家有突出貢獻(xiàn)的中青年專家，享受國務(wù)院政府特貼……

30 多年前的博士，其難度和含金量毋庸贅言?！澳莻€時候科研條件確實(shí)不好，但整體的學(xué)術(shù)氛圍是非常積極的，大家都在心無旁騖地搞研究，一切都為了科研?！笔Y明鏡說，他很幸運(yùn)遇到了一群好的老師，不僅為他指明了方向，也為他鋪平了未來的科研道路?！霸谧x碩士的時候，老師就為我申請了破格免試讀博，直接跳級，這是前所未有的，當(dāng)時是我們學(xué)校唯一的一個。”在蔣明鏡讀博期間，用于個人的科研經(jīng)費(fèi)3年一共只有6000 元，“雖然那個時候物價低，但也還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，老師把他的國家自然科學(xué)基金經(jīng)費(fèi)拿出來，又為我特殊申請，一共湊了45000 元，全部用在了我的科研項(xiàng)目上。”

肩負(fù)重任，當(dāng)不負(fù)眾望。模擬結(jié)構(gòu)土體中的大空隙曾經(jīng)是世界性的難題，蔣明鏡通過分析，認(rèn)為在低溫環(huán)境下在土料中摻加冰粒的方式可以人工形成大孔隙，從而最終人工制備成結(jié)構(gòu)土。為此他做了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計，很快便得到了老師的認(rèn)可。想法雖然好，但是上哪兒去找這樣的低溫環(huán)境呢？直到蔣明鏡看到了學(xué)校食堂的冷庫?！拔腋蠋熣f，我想到辦法做實(shí)驗(yàn)了，就是得麻煩您跟學(xué)校后勤部門打個招呼?！?/p>

聽說是蔣博士要做實(shí)驗(yàn)，后勤爽快地“開了綠燈”。盛夏的南京熾熱似火，也如同蔣明鏡期待實(shí)驗(yàn)的那份心情?！盀榱四茏龊脤?shí)驗(yàn)，我們盡可能周全地做好各種準(zhǔn)備，儀器設(shè)備、棉褲、棉襖……那天，我們都特別興奮，可一進(jìn)去就都傻眼了?！边@位年輕的學(xué)生做好了實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，卻忘了做好心理準(zhǔn)備——冷庫是食堂的，里面還完整地冷凍著各種各樣的“動物”。“現(xiàn)在想起來覺得挺好笑，可是那會兒，我和好幾個同學(xué)被嚇得晚上做噩夢?！?/p>

冷庫實(shí)驗(yàn)成功了，蔣明鏡乘勝追擊，“只要是搞科研，我就時刻充滿戰(zhàn)斗力?！睘榱四鼙M快得到數(shù)據(jù)，他守著實(shí)驗(yàn)設(shè)備寸步不離。實(shí)驗(yàn)要用到空壓機(jī)，聲音非常大，尤其是夜深人靜的時候，“我自己已經(jīng)習(xí)慣了，就是苦了附近的居民，一開始還有人向所長反映，后來大家知道是在做實(shí)驗(yàn)，就都表示了支持和理解，至今回想起來都讓我非常感動?！?/p>

厚積才能薄發(fā)。蔣明鏡的研究成果在國際上得到了廣泛關(guān)注，博士還未畢業(yè)，多所世界知名學(xué)府向他發(fā)出了熱情的邀請。1998年初，他邁出了國門，先后在日本大阪土質(zhì)試驗(yàn)研究所、京都大學(xué)、加拿大拉瓦勒大學(xué)、英國曼徹斯特大學(xué)和諾丁漢大學(xué)從事博士后研究。2006年，抱著報效祖國的信念，他毅然回到了同濟(jì)大學(xué)任教。

采訪中，記者總有一種感覺，仿佛科研對于蔣明鏡來說不是一份事業(yè)，而是一種信仰，一種刻在骨子里的并愿意一生追隨相伴的信仰。喜歡、熱愛、癡迷……這些都不足以形容他對科研的執(zhí)著。“剛回國時，我一個月拿到手的工資只有1500 元，房租就要1850 元，好長一段時間都是靠以前的積蓄貼補(bǔ)的?！?/p>

堅定的信念讓蔣明鏡一步一步走到了今天，時間做了最好的證明。近幾年，隨著我國綜合實(shí)力的不斷增強(qiáng)，科技實(shí)力也在飛速進(jìn)步。航空航天、深海探測……這些高精尖領(lǐng)域留下了越來越多的中國身影和中國足跡。在此期間，蔣明鏡和他的團(tuán)隊(duì)也承擔(dān)了多個相關(guān)領(lǐng)域的項(xiàng)目研究。“除了剛才提到的‘火星土’，‘深海土’也是我們這些年研究的重點(diǎn)。最近，我們準(zhǔn)備在海南開展可燃冰等資源的勘探、開發(fā)和環(huán)境保護(hù)等工作。”

堅持問題導(dǎo)向，面向國家重大需求，作為領(lǐng)域內(nèi)的專家學(xué)者，蔣明鏡深知我們目前的短板和弱項(xiàng)?！耙恍╆P(guān)鍵技術(shù)、重要裝備、新能源技術(shù)等關(guān)系國家急迫需要和長遠(yuǎn)需求的領(lǐng)域，必須要掌握在自己手里，所以我們要加快步伐，朝著這個方向去努力?！?/p>

從蔣明鏡的話語中，記者能強(qiáng)烈地感受到他的那種急迫而又期待的心情。從一粒沙到一方土，從一座山到一顆星，蔣明鏡始終將科研與實(shí)際需求緊密相連。深知任重，卻有不怕失敗的勇氣；也知路遠(yuǎn)，仍有潛心研究的熱情。

采訪最后，記者問蔣教授是否期待未來可以到太空去看一看，教授笑著說：“當(dāng)然！太空旅行已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，這離我們并不遙遠(yuǎn)?！庇羞^腳踏實(shí)地的艱辛，方有仰望星空的勇氣。同樣，我們也期待著蔣明鏡教授能用他的科研成果帶領(lǐng)我們看到更高更遠(yuǎn)的天地。

堅定的信念讓蔣明鏡一步一步走到了今天，時間做了最好的證明。近幾年，隨著我國綜合實(shí)力的不斷增強(qiáng)，科技實(shí)力也在飛速進(jìn)步。航空航天、深海探測……這些高精尖領(lǐng)域留下了越來越多的中國身影和中國足跡。在此期間，蔣明鏡和他的團(tuán)隊(duì)也承擔(dān)了多個相關(guān)領(lǐng)域的項(xiàng)目研究?！俺藙偛盘岬降摹鹦峭痢詈Ｍ痢彩俏覀兡壳把芯康闹攸c(diǎn)。最近，我們正在海南做可燃冰的勘探和開發(fā)保護(hù)。”

EXCLUSIVE

DIALOGUE

獨(dú)家對話

記者：能否簡單介紹一下您的研究領(lǐng)域？

蔣明鏡：我所研究的領(lǐng)域是土力學(xué)，是研究土體在力的作用下的應(yīng)力—應(yīng)變或應(yīng)力—應(yīng)變—時間關(guān)系和強(qiáng)度的應(yīng)用學(xué)科，是工程力學(xué)的一個分支。土力學(xué)的研究對象是與人類活動密切相關(guān)的土和土體，包括人工土體和自然土體，以及與土的力學(xué)性能密切相關(guān)的地下水。土力學(xué)被廣泛應(yīng)用在地基、擋土墻、土工建筑物、堤壩等設(shè)計中，是土木工程、巖土工程、工程地質(zhì)、能源工程等工程學(xué)科的重要分支。

土力學(xué)的發(fā)展當(dāng)以庫侖首開先河，大致分為3 個歷史階段：萌芽期（1773年—1923年）、古典期（1923年—1963年）、現(xiàn)代土力學(xué)（1963年—現(xiàn)在）。現(xiàn)代土力學(xué)是以宏觀試驗(yàn)成果為依據(jù)，連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法和土體宏觀本構(gòu)理論為基礎(chǔ)，有限元有限差分等數(shù)值分析方法為工具的體系，在巖土工程實(shí)踐中發(fā)揮了重要作用。

目前，隨著巖土工程在空間上的不斷拓展，特別是深地、深海、深空工程（“三深工程”）的推進(jìn)，研究者和工程技術(shù)人員需要面對更復(fù)雜環(huán)境條件（高地應(yīng)力、高/低溫、高水壓、高真空、低重力、強(qiáng)化學(xué)作用等）和疑難巖土材料，如結(jié)構(gòu)性土（溫、壓、力耦合，T-H-M）、深海能源土（含水合物土體，溫、壓、力、化耦合，T-H-M-C）、月壤（“太空效應(yīng)”）等，這都是我們現(xiàn)代土力學(xué)研究者要面臨的全新挑戰(zhàn)。

記者：在圓滿完成了火星探測項(xiàng)目后，您目前的研究重點(diǎn)是什么？

蔣明鏡：最近主要是在做深海工程的項(xiàng)目。隨著我國沿海經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展、“一帶一路”倡議的提出，以及《全國海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的頒布，海上風(fēng)電、跨海大橋、海底隧道、海洋石油鉆井平臺、海水發(fā)電、海底管線鋪設(shè)、圍海造陸和海洋核能等海上工程項(xiàng)目不斷增多，海洋工程不斷壯大充實(shí)。海洋工程由傳統(tǒng)工程項(xiàng)目向新型工程項(xiàng)目轉(zhuǎn)變，并逐漸由近海、淺海向遠(yuǎn)海、深海發(fā)展，項(xiàng)目規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，這對海洋工程的敏感性、安全性與耐久性提出了更高的要求。一系列的海洋資源開發(fā)伴隨著許多亟待解決的工程技術(shù)問題，如開采平臺、海底光纜的安全性等，而海底地震、海床滑坡等自然災(zāi)害的預(yù)警與減災(zāi)也是全球關(guān)注的核心問題。

以深海天然氣水合物資源開采為例，水合物分解必然引起賦存海床的力學(xué)性質(zhì)劣化，而不當(dāng)?shù)拈_采方式可能誘發(fā)大規(guī)模災(zāi)害（如滑坡）或樁基平臺倒塌。如何選擇安全的開采模式、區(qū)域，降低開采活動對海洋環(huán)境的影響，成為水合物實(shí)際開采過程中的首要問題。海底現(xiàn)場勘察研究非常困難，室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M深海環(huán)境代價昂貴，所以就需要我們加大科研力度，對海洋工程的推進(jìn)進(jìn)行綜合分析，以保證其安全可行。

記者：聽了您的介紹，我們大概了解了土力學(xué)的實(shí)際應(yīng)用，對該領(lǐng)域未來的發(fā)展機(jī)遇，您有何專業(yè)的見解？

蔣明鏡：土力學(xué)出現(xiàn)了一個新的關(guān)鍵領(lǐng)域——宏微觀土力學(xué)，在過去 40年里，宏微觀土力學(xué)經(jīng)歷了萌芽、雛形與成長期，可以說現(xiàn)下正迎來加速發(fā)展的階段。我認(rèn)為未來宏微觀土力學(xué)的發(fā)展機(jī)遇主要有以下四個方面。

一是建立適用于各種巖土工程問題的高效率計算法。這一方面的研究既可能涉及分子或納米尺度上的物理力學(xué)機(jī)制，又需要高效的耦合計算方法。由于需進(jìn)行數(shù)億甚至數(shù)萬億顆粒的計算，這對計算能力的要求會很高。隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，這一矛盾會逐步減弱。

二是針對真實(shí)工作環(huán)境，建立“三深工程”疑難巖土體的模型和結(jié)構(gòu)演化與宏觀特性的關(guān)聯(lián)。這方面的研究既需要模擬高/低溫、高水壓、高真空和化學(xué)等極端環(huán)境的微、細(xì)觀尺度上的試驗(yàn)技術(shù)，又需要解決代表性單元尺度效應(yīng)與試驗(yàn)測試精度限制的矛盾，還需要發(fā)展三維土體內(nèi)微、細(xì)觀結(jié)構(gòu)信息的提取與處理分析技術(shù)。但隨著多功能、高精度、大量程 X 射線 CT 等技術(shù)的發(fā)展，這些問題可望逐步解決。

三是建立實(shí)用化理論模型，并解決“三深工程”各種復(fù)雜、疑難巖土力學(xué)與工程中的核心問題，幫助提高工程設(shè)計水平。在不同巖土工程問題中，土體經(jīng)歷的應(yīng)力路徑不盡相同，當(dāng)前土工測試技術(shù)尚難以準(zhǔn)確獲取現(xiàn)場原狀土體的應(yīng)力路徑和力學(xué)性狀。所以，采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行模擬，并進(jìn)行相應(yīng)的室內(nèi)試驗(yàn)研究，從而建立實(shí)用化本構(gòu)模型，不失為一種研究思路。

四是宏微觀土力學(xué)與現(xiàn)代土力學(xué)的四個分支以及其他學(xué)科的交叉發(fā)展。宏微觀土力學(xué)既可以在本學(xué)科內(nèi)與理論土力學(xué)、計算土力學(xué)、試驗(yàn)土力學(xué)和應(yīng)用土力學(xué)交叉，又可以與其他學(xué)科交叉，如巖石力學(xué)、力學(xué)學(xué)科中的近場動力學(xué)等。這既有助于宏微觀土力學(xué)的自身發(fā)展，完善現(xiàn)代土力學(xué)，又能促進(jìn)其他學(xué)科的快速發(fā)展。

總之，宏微觀土力學(xué)已成為最具活力的研究方向之一，它的加速發(fā)展期即將到來。為此，我們既需要很多基礎(chǔ)扎實(shí)、年富力強(qiáng)的青年學(xué)者的參與，又需要長期奮戰(zhàn)在科研第一線、對巖土工程疑難與關(guān)鍵問題有深刻認(rèn)識的資深科研人員的關(guān)心和支持。