新时代科技长征路上的突围者——记北京大学工学院讲席教授黎波

杨 戈 刘玉杰

一代人有一代人的“长征”，一代人有一代人的使命。我们的祖辈为了推翻旧社会、解放全中国而奋斗；我们的父辈则致力于发展经济、富强国家。然而，经济的繁荣与人民的幸福需要有一个强大的国防和工业体系作为保障，改革开放的成果需要科技这一把利剑来守护。正因如此，我们这一代的使命就更加重要：科技卫国、科技强国！

——黎波

2021年的初冬，黎波博士又一次回到国内。与以往每年两三次的短暂回国交流与合作不同，这一回，黎波有了新的身份——北京大学工学院研究员、京东方讲席教授、博士生导师。从此，他不再是往返于大洋彼岸之间，不以山海为远的候鸟，而成为一粒饱蓄力量的种子，将在祖国的科技土壤中扎下根去，助力国家在计算科学、极端力学，以及计算机仿真（CAE）工业软件等领域的发展与突破。

多年海外留学与工作经历的浸染，让黎波具有了几分西方式的直率与坦诚，但在举手投足间，依然不难发现留在他身上那种属于中国传统知识分子的内敛与担当。19年前，黎波踏上了美国的土地，在异国他乡的学术领域里打拼。先后在美国加州理工学院和凯斯西储大学学习与任教，长期致力于材料在高温、高压、高应变率与高加热冷却率等极端热力学条件下动态行为的理论与仿真计算研究，在多物理场强耦合数值模拟、先进计算方法、多尺度材料建模、断裂力学、增材制造以及超大型并行CAE工业软件等方向取得了多项创新性成果。

黎波

在美国，黎波是美国国家科学基金会（N S F）、美国国家航空航天局（NASA）、美国能源部（DoE）、美国国防部（DoD）等机构和科研院所的座上宾，主持和参与了多项由NSF、NASA、DoE、DoD资助的重要科研项目，以PI身份主持和参与的研究获得经费支持超过数千万美元，并先后斩获了美国国家航空航天局暑期教授奖（NASA Summer Faculty Fellowship）与美国科学基金会杰出青年奖（NSF Career Award）等一系列重量级的奖项。

与此同时，一腔赤子之心的黎波时刻关注着国内科学事业的发展，一心想把在国外所汲取的先进知识带回中国，报效祖国。所以，当国家需要他时，他没有丝毫的犹豫，毅然决然地选择了放弃美国高校终身教授的优厚待遇回国从头开始。黎波说：“这其实是水到渠成的事，也缘于我一生都无法割舍的家国情怀。”

奋进之路

兴趣是一个人积极探究事物的原动力，只有拥有浓厚的兴趣才是人们不惧艰难、坚持钻研下去的源泉，也只有这样才会最终走向成功。黎波的成长经历正是如此。

出生于乡村家庭的黎波，父亲从事汽修工作。“我从小就在汽修厂里面玩，天天鼓捣那些机械零部件，所以自然而然地对机械产生了浓厚的兴趣。”黎波回忆道，高中的时候自己经常看编程方面的书籍，虽然20世纪90年代初，个人电脑在中国的一线城市都尚未普及，但是父母为了支持他的兴趣爱好，专门为他买了一台可以用来编程的学习机。黎波就是利用这台简陋的学习机，在寒暑假里自学完成了国际信息学奥林匹克竞赛的全部题目。

彼时，年少的黎波对于未来世界充满了幻想，特别是科幻世界中的星辰大海，“满脑子都是外太空的事情，希望有一天能够帮助人类遨游宇宙”。带着这种宏愿，黎波在高考填报志愿的时候义无反顾地选择了北京航空航天大学，并顺利地被名列航空航天学科领域全国第一的飞行器动力工程专业录取。

进入北航学习之后，一个全新的世界展开在黎波面前。“老先生们给我们讲了航空发动机发展的整个历程、设计上的难点，以及今后发展的方向，给我非常大的触动和启发。”前辈的教导让黎波明白了往往看似非常小的一个问题或细节里面涉及的通常是一个非常庞大的学科，每个公式、符号和参数都承载着庞大的知识和经验的累积，“需要先把基础打牢，只有在基础理论方向做出突破，才能真正在工程中实现创新”。

黎波（中）在加州理工学院毕业时的合影

本科毕业时，黎波由于出色的成绩被保送攻读北航的硕士研究生，进入到王荣桥教授的项目组。“王老师主要研究的是发动机的结构强度，除了做很多实验外，还要开展大量的数值模拟研究，这是我一直以来特别感兴趣的。”计算机模拟在当时也是国内非常前沿的研究方向，王荣桥将黎波带进了理念先进的发动机数字化设计殿堂。黎波在此期间做了大量的工作，并深入沈阳黎明航空发动机制造厂的一线，帮助他们建立了零部件自动化设计与数值分析系统，同时也发表了多篇重要的论文。

在这个过程中，黎波接触到了计算力学。这是一门极具挑战的交叉学科，需要掌握高深的数学理论，深入理解物理与力学知识，并具备非常扎实的计算机理论功底与动手编程能力。“王老师给我推荐了一本《计算材料学》，读完之后令我大为震撼，发现很多工程上的问题从物质原子到材料结构，从微观到宏观尺度，都可以利用数学理论建立一个比较完备的描述和理解，找出背后的物理规律和力学模型，从而帮助你优化设计和创新，确定最佳的解决方案。如果需要通过试验一个一个盲目地去试错，一来耽误的时间太多、成本太高，同时不确定性的因素太多，很难高效地找到一组最优的设计参数。”

古希腊哲学家芝诺曾说过：“人的知识就好比一个圆圈，圆圈里面是已知的，圆圈外面是未知的。你知道得越多，圆圈也就越大，你不知道的也就越多。”《计算材料学》成为黎波不断攀登科学高峰路上的一块指示标，也激发了他走出去看世界的想法。

当时，航空航天领域在全世界排名第一的是美国加州理工学院（California Institute of Technology）的航空系。航空系每年从全世界只招收15名左右的学生，这一名额分配到中国，基本上每年只招收一名学生。作为世界顶尖名校，加州理工学院规模虽小，全校只有区区两千学生和老师，但却彰显了卓越和雄心。那里集结了世界上最聪明的学生，还有最具创新性的研究设施，学院的教职员工和校友的贡献赢得了来自美国和国际科学界的认可，其中包括多项诺贝尔奖的获得者，几乎一半以上的教授都是美国国家科学院与工程院院士。

指导学生

2004年，加州理工学院将这一个宝贵的招生名额用在了黎波身上，黎波与他的科学偶像钱学森先生成为校友，在钱老学习和工作过的航空系开始了对未来的探索。黎波在加州理工学院师从于世界著名计算力学家、美国国家工程院与文理学院两院院士、西班牙工程院外籍院士迈克尔·奥尔蒂斯（Michael Ortiz）教授。这是一位在计算力学领域身处前沿的大家，他的一大贡献就是把很多纯数学理论引入到了计算力学里，为数值模型的合理性提供了坚实的数学基础。从奥尔蒂斯身上，黎波看到了一位自信且专注的科学家气质。“他能够把自己的聪明才智精巧地用到科研上，做出非常重要的发现，从而引领整个科研领域的发展，给了我非常大的启发。他治学的严谨和不断开创的进取精神也给我的科研生涯带来非常深刻的影响。”

加州理工学院同美国国家实验室有着密切的合作关系，包括美国喷气推进实验室（J PL）、劳伦斯利弗莫国家实验室（LLNL）、桑迪亚国家实验室(SNL)和洛斯阿诺莫斯国家实验室（LANL）等，黎波的很多项目便是与他们联手合作开展的。“这种机会非常难得，我可以利用世界上最前沿、最尖端的设备来研究材料科学里面的一些机理性的问题，特别是极端条件下的材料科学问题，这对我建立起科研直观性的感觉，创立基于真实物理的理论和计算模型并完成验证是非常重要的。”

黎波与JPL合作的主要研究方向是空间装置防护结构的设计，防护太空碎片超高速撞击对空间装置的毁灭性打击，同时也能应用于地球对小行星撞击的防御；同美国国防高级研究计划局（DARPA）和DoD合作的项目是进行战场上防护材料的轻量化，设计新型高强轻质材料和涂层，将结构的重量减低三倍以上，还能形成对士兵、战车和舰船有效的防弹与防冲击作用；同LANL合作研究惯性约束核聚变产生的压力和温度条件下材料的动态响应过程；与SNL合作研究极端条件下材料动力学响应过程的高精度数值模拟方法。来到美国凯斯西储大学工作之后，黎波依托俄亥俄州工业制造重镇的优势，在美国国家科学基金会的支持下开展了金属增材制造工艺的研究，为降低金属材料3D打印过程缺陷的生成提供解决方案；在NASA的支持下，他还参与了对外太空冰层覆盖的小行星进行探索开发的方案设计。通过医工结合，黎波同国际知名的克里夫兰诊所进行生物力学方面的研究，从微观上阐释细胞、细胞与组织之间的相互作用，肿瘤细胞在血液中的迁徙，从宏观上分析血液与组织的流固耦合，从而为心血管疾病的病理成因及个体化精准医疗方案的制订提供高效高精度的理论与数值计算模型。

在这些项目中，黎波都是负责提出新的计算理论和模型，创建新的算法和数值仿真工具，对研究对象在复杂工况下的物理行为进行精准的预测，并为产品性能的优化提升提供强有力的支撑。回忆起那段在异国打拼的岁月，黎波言语中依然充满了兴奋：“通宵达旦地做研究，经常工作到第二天凌晨。虽然辛苦，但是非常充实，每一天都在探索新的知识领域，每一次突破都让我心潮澎湃。在这个过程中，我深刻地体会到了从事原创性科研工作的无上喜悦！”

17年的海外生涯正是黎波科研事业厚积薄发锐意进取的黄金时代。这段时期里，他不仅在计算力学和数值模拟等技术领域硕果累累，更重要的是，在美国宽松自由、求真创新的学术氛围熏陶下，他完成了一个顶尖科学家所具备的素质塑成。都说机会总是留给有准备的人。在科学探索的这条道路上，黎波正是这样一位时刻准备好的人。所以这些年来，他总能在研究上一直保持着活跃，源源不断地做出一系列杰出的原创性工作。

科研报国

17年的美国生涯，从加州理工学院的博士研究生到助理教授，再到凯斯西储大学终身教授，一步一个脚印。无论是从语言表达，还是生活与工作方式，黎波都已经完全步入了美国节奏——除了胸腔里那一颗跳跃的中国心。“尽管这么多年游历异国他乡，但我始终保持着中国国籍，将祖国放在心中最高处，坚信总有一天我会回到祖国的怀抱。”

在黎波的心里，无论是在美国，还是在中国，做科研都要“顶天立地”，一头深深扎根于基础研究，解析世间万物之间相互作用的奥秘；另一头则与社会需求紧密相连，解决工程上广泛存在的一个个实际问题，打造出一个崭新的世界。

这些年来，黎波感受到了西方发达国家对中国的科技封锁与“围剿”，也目睹了中国科技界对于人才的渴求和招募，越来越多重量级的海外人才纷纷回国发展，这些战斗在科研第一线的人才在归国的同时也把国际最前沿的科学技术和科研方法带回了国内。尽管他身在国外多年，但是和国内一直保持着联系与合作，也一直深切关注着国内在计算力学和数值模拟领域的发展，期待着有一天可以回国贡献自己的一份力量。

“我在国外主持和参与的项目都与国防军工、航空航天领域相关联。一方面，我在美国研究尖端的武器装备；另一方面，国内相关的很多关键技术到现在还被美国‘卡着脖子’，这让我的内心非常的不舒服。”黎波坦言。每念及此，“科学无国界，但科学家有祖国”这句话就在他的心中亮起一道光。回国去！和当年钱学森先生一样，黎波也希望能用自己的学识为祖国服务，去赢得世界的尊重。

黎波对于中国科研的光明前景充满了憧憬，随着经济实力的提升和国家对于科技事业的重视，中国的科技必将迎来跨越式的发展。“因为有了人才，有了投入，有了国家的正向引导，必将会产生积极的链式反应。海外大量人才的回归，必将推动中国发展出自己的前沿理论和创新技术，推动高科技产业升级，从而进一步吸引更多的人才和投入，形成良性循环。我们有足够的实力来领跑！”黎波的话掷地有声。

习近平总书记一直鼓励科研人员要“把论文写在祖国的大地上”，将先进的科技成果应用在实现现代化强国的建设中。黎波对此深以为然。他明白，核心技术是花多少钱也买不来的，搞科研攻关，总跟在别人的后面永远无法做到超越。真正领先世界的尖端技术，只能靠自己一点一滴的积累、一城一池的攻克！工业软件就是这样一个领域，它是被国外巨头所垄断而对我国严格限制的关键核心技术之一。

工业软件被誉为工业活动的大脑和神经，是整个工业数字化的核心底座技术，贯穿了产品的整个生命周期。在推动“中国制造”向“中国智造”的转型、赋能实体经济变革中发挥着至关重要的作用。“工业软件，尤其是CAD/CAE/EDA/P L M等研发设计类软件，是我们设计、分析、优化和加工制造产品必需的一系列支撑工具。没有它们，任何创新的工业产品都很难发展出来，更不用去想产业升级了。但是当前中国95%的市场是被国外的商业软件占据着，国防军工、航空航天、汽车、消费电子等各行各业几十年来都一直高度依赖国外商软来完成产品的研发设计和维护，包括咱们的武器、飞机、空间站、航母等战略尖端装备，从定型阶段的几何设计、材料选择、性能评估、结构优化到生产过程的工艺分析改良和使用过程的工况模拟失效预警直至产品的回收利用，每一个环节的核心工具软件基本上都是国外的。假如某一天国外对咱们实施封锁和禁运，咱们的工业就会像人被抽取了意识，后果将不堪设想。”黎波一语道出了目前的困局。国之所需，吾心所向，紧接着他说出了自己的目标，“我回来有一个非常大的心愿，就是能够通过自己的努力，为解决咱们国家计算机仿真CAE工业软件的‘卡脖子’危机作出一点贡献。”这也正是黎波一直以来孜孜不倦努力攻克的科研方向之一。

理想高远，但是现实中的困难更是横亘眼前。工业软件的开发面向对象特殊，科技含量极高，既是一项高难度的科学研究，也是一项大规模的工程应用。它是数学、物理、化学、机械、计算机技术等多个学科的交叉融合，是多领域知识和经验的结晶，无论是元宇宙、数字孪生、人工智能、工业数字化等各种方兴未艾新概念的崛起，还是计算机仿真等基础概念的延续，都是以算法模型和数据为基础，以软件为载体，将动态的物理世界投影到虚拟的计算机空间。黎波也付出了百分之二百的努力，在发展基础力学理论与先进计算方法的同时，积极推进CAE工业软件的国产化进程。在归国后的短短两年时间内，黎波就发展了一套以严格的数学理论与先进的计算数学方法为基础，充分利用最新的计算机科学技术及高性能计算的C A E仿真软件，实现了中国在高度非线性显式动力学数值仿真工业软件领域从“0”到“1”的突破，攻克了国外商用软件在求解超大变形、多物理场强耦合、裂纹与碎片云等极端问题中的难点，实现了对材料与结构在逼近设计极限工作环境下性能的高精度预测分析。目前他的成果已被中国工程物理研究院、中国空气动力研究与发展中心、中国航空发动机研究院等国家级的科研院所采用，同时也扩展到了公共安全与加工制造等多个领域。

在世界向前发展的过程中，工程和科学的各个领域存在着大量复杂的力学问题。极端力学正是这颗力学皇冠上面的明珠。而采用数值模拟的方式来研究材料在极端力学条件下面的动态行为，一直以来都是国际力学界的一个前沿课题。这些关键技术将是应用在国防军工、航空航天，以及工业制造等各个方面的基础。而黎波回国之后的目标，正是致力于推动这些领域研究的发展，他希望自己的研究成果能够迅速应用到祖国的航空、航天、国防等装备制造领域里去，为祖国的强大起到立竿见影的效果。

在国防军工方面，武器装备成为军队现代化的重要标志，是国家安全和民族复兴的重要支撑。黎波希望能用尖端技术改善保卫国家的“矛”与“盾”。诸如高超音速武器，更好的战车、士兵的头盔和防弹衣等防护装置，向国防科技创新要战斗力，推动尖端武器装备发展，增强国家安全的硬实力。在航空航天领域，黎波将延续自己在空间装置防护结构设计优化方面的工作。利用数值建模的方法，他可以通过计算机仿真模拟整个超高速撞击过程，找到破坏机制和内在规律，进而改善空间装置的安全性。

团队在北大校门外合影

在先进加工制造方面，由于受多种成形工艺因素影响，增材制造金属结构容易形成孔隙、融合不良，以及微裂纹等多种材料缺陷，极大地降低了构件的性能，甚至会引起宏观的开裂、分层等现象，导致制备过程的失败，是影响增材制造技术在大型复杂金属构件制造方面应用的最主要技术瓶颈。黎波通过有机结合无网格方法、变分裂纹扩展算法、相场理论、热流固耦合技术和高性能计算等先进计算方法，完成粉末尺度金属增材制造过程的理论分析与高精度数值计算框架的创建，助力其在航空航天、汽车等复杂产品一体成型过程中的大规模应用。

在高速发展的新能源汽车产业赛道，电池作为核心部件之一，其综合性能和寿命已成为制约新能源汽车发展的瓶颈之一，包括续航里程短、充电时间长、失控起火爆炸等问题都是行业亟须攻克的世界级难题。黎波通过整合他在电化学、热力学、爆炸力学、微观力学与材料失效破坏机制方面的研究，建立起电化学-热-力-爆炸多物理场强耦合计算理论与微裂纹演化-组织生长-缺陷生成的微观力学计算模型，为新能源电池研发设计过程材料选择、结构设计、性能评估、使用寿命跟踪与分析等全生命周期的各个环节提供有力的支撑工具，助力我国“双碳”目标的实现和新能源汽车产业的“弯道超车”。

目前，国内外分析PE树脂中添加剂质量分数的方法有很多种[6-7]，其中卞丽琴等[8]通过红外光谱法快速地测定了聚乙烯中微量抗氧剂的质量分数，表明该方法能够起到定量的作用。因此本工作也通过表面红外光谱法来表征样板表面抗氧剂的析出情况。

树人育才

计算力学已经成为通向各项工程的桥梁和索道，是国民经济建设和国防建设服务不可缺少的手段，也是力学学科和高新技术的完美结合。从美国到中国，在黎波看来，硬件上，国内和西方发达国家已经几乎没有太大的差别，唯一的差距在于“软件”。而这里所说的“软件”，即科研人员的学术思想和创新性，这恰恰是科技发展的关键所在。在黎波的头脑中，国家要成为一流的科技强国必须靠人，创新人才才是一个国家科研界最珍贵的资源。一流的仪器设备可以购买，一流的平台可以打造，但离开一流的创新型人才，这一切都是空中楼阁和无源之水。

一年之计，莫如树谷；十年之计，莫如树木；终身之计，莫如树人。中国计算力学的发展，显然不是一两位出色的科学家能够实现的事，这需要一代甚至几代科技工作者的共同努力和求索，向着同一个目标进行一场接力赛。面对全球的竞争，谁拥有更多更好的人才，谁就能在竞争中取得主动，赢得未来。行业如此，国家也是如此。

对于学生的培养，黎波从来都看得很重。在国外的时候，他已经培养出8位博士、4位硕士和2位博士后。自从接受北京大学的邀请任职以来，他就决心扎根于这片土壤，不仅要从事科学研究，更要担负起立德树人的重任，培养出更多青年才俊。

在黎波心里，他与学生的关系不仅是师生，还是朋友，更是未来路上让中国计算力学研究领跑世界的队友。“学科未来的发展要靠年轻一代，他们是今后开展原创性研究的保障”。在他看来，我国是一个人才资源大国，有充足的优秀生源，但如何培养他们是一个关键问题。

由于在国外浸染了多年，黎波对于学生的选择和要求与“传统”的老师们有很大的不同。他的目标不是培养只会埋头书案和在实验室做实验的“象牙塔骄子”，他要求学生们必须要和工业界紧密联系，有独立思考的能力，有强烈的创新突破和对未知探索的精神。

“我对学生采用一种比较开放式的培养模式，基本上给他的课题对于我自己来说也是很大的挑战，需要不断学习，我会引导他去调查研究各种文献，然后和学生一起在文献里去寻找和思考哪些技术需要突破，如何突破，再结合自己的经验给他一些指导。”黎波的授课从来不会照本宣科，总会带上他的一些独特理解，而在黎波的“考题”中，也从来没有标准答案和固定模式，这种方式给了学生们极大的自由度和成长空间，对于提高学生们的成就感和自信心也非常有好处。每个星期的组会上，大家畅所欲言，黎波会分享一些人生经历和学术经验，或是探讨他在过去实际工程中的思路和问题。一时间，小小的会议室就会化为任由思维徜徉的海洋。

黎波十分重视为学生提供实践的机会。“在北大，有很多创新研究院，我一般会让学生到研究院在真刀真枪的工程实践里面去解决问题，应用他学到的知识和技术。”深入一线和工程紧密结合，了解国家的需求。黎波的目的是为了让学生们明白：中国要强，中国人民生活要好，必须有强大的科技和国防力量的支撑。一流的科研是能够助力解决国家重大工程实际问题的，而不仅仅是以发表论文作为最终目标。作为民族复兴激流中的一朵浪花，只有始终把个人理想与国家的需要、民族的前途命运紧密联系在一起，取得的成就才能体现其真正的价值。

鲁迅先生曾经说过，世间本没有路，走的人多了，也就成了路。但是在科学的道路上，黎波并不满足于挤在熙熙攘攘的人群里亦步亦趋，他希望能够走出一条属于自己的精彩轨迹。为此，年轻的博导带领着比自己小不了多少的年轻学生们正朝气蓬勃地在科研之路上奋力奔跑着。然而这条道路注定并不轻松，黎波时常会把这个过程形容为新时代的科技长征，有敌人的封锁“围剿”，有恶劣的外部环境，即便在如此逆境中，他带领着自己的团队依然“翻雪山”“过草地”，勇探“无人区”。“历史上的长征，红军如果没有坚定必胜的信念，没有战胜一切困难的意志，没有人能走完这么漫长的路程！”黎波感叹道，“以科技创新助推中华民族伟大复兴，是我们这一代科技工作者的历史使命。新时代的科技长征路，我们也一定会传承先烈的精神，百转千折，胜利地突围而出！”