棲身科學(xué) 無悔跨界

謝更好

已過花甲之年的姚文娟，臉上絲毫不顯歲月蝕刻的痕跡。接受采訪的這天，她如往常一樣，挽著整潔的發(fā)髻，穿著簡潔的白襯衫，只在領(lǐng)口簡單地系了條綠色絲巾，就讓整個(gè)人精致了起來。

這位上海大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院、上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所教授、博士生導(dǎo)師，有著江南女子般的柔美、婉約，而她半生的經(jīng)歷卻透露出骨子里的果敢、堅(jiān)毅：從重慶到江蘇，從江西到上海;從結(jié)構(gòu)工程到流體力學(xué)，從固體力學(xué)到生物力學(xué)……半生求索，半生跨界，每一次轉(zhuǎn)折卻都不是因?yàn)槊\(yùn)被迫隨波逐流，而是姚文娟自己做出的篤定選擇。尋常人甚至很難定義姚文娟的研究究竟屬于哪一個(gè)領(lǐng)域，但毫無疑問的是，她是一個(gè)真正的被理想所驅(qū)動的人，一個(gè)身心都棲息于科學(xué)世界的人。

追尋

沖破舒適區(qū)屏障

姚文娟是恢復(fù)高考后的首屆大學(xué)生，是高中畢業(yè)后由城市到農(nóng)村插隊(duì)的知青。那時(shí)，這個(gè)從農(nóng)村走出的女娃娃憑著一股不服輸?shù)膭蓬^，考入了重慶大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)。大學(xué)畢業(yè)時(shí)，她已經(jīng)25歲了。畢業(yè)后，她按照大多數(shù)人的成長軌跡，循規(guī)蹈矩地參加工作、成了家。1982年元月，她回到老家，被分配到江西省交通設(shè)計(jì)院，從事公路及水運(yùn)交通、房屋建筑方面的結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)科研工作。在這里，一貫優(yōu)秀的她，在設(shè)計(jì)院繼續(xù)綻放著光芒：她先后主持國家重大工程項(xiàng)目及省部級大型重點(diǎn)工程項(xiàng)目3項(xiàng)，還主持了1988年單項(xiàng)投資達(dá)到3.8億元的國家重大工程——信江航運(yùn)工程界牌樞紐項(xiàng)目。在設(shè)計(jì)院工作的10年間，姚文娟逐漸成為中流砥柱，前途一片光明。

然而就在生活的坦途鋪展在姚文娟的腳下時(shí)，一眼望得到頭的順?biāo)靺s讓她不安起來。“我心里其實(shí)一直有個(gè)讀研究生的夢。”

年近而立，家庭美滿，事業(yè)節(jié)節(jié)攀升——圍城之內(nèi)的姚文娟不停叩問自己：人生就僅此而已了嗎？孩子出生后，姚文娟決定勇敢直面自己內(nèi)心的聲音，走出圍城，去追逐讀研的夢想?！皢挝灰恢辈环盼易?，他們說‘你的水平不用讀研究生?！彼貋碛袥Q斷的姚文娟決定和單位脫離關(guān)系，不拿一分錢工資去考研。最后，靠著教育部提供的獎學(xué)金，姚文娟再次邁進(jìn)大學(xué)校園，來到河海大學(xué)，攻讀當(dāng)時(shí)全國排名第一的水利學(xué)和河流動力學(xué)專業(yè)，打下了扎實(shí)的流體力學(xué)基礎(chǔ)。

回歸學(xué)術(shù)殿堂的姚文娟一發(fā)不可收，隨后，她又考入上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所，攻讀固體力學(xué)專業(yè)博士學(xué)位?！皝淼缴虾Ｄ悄晡乙呀?jīng)40歲了。對我來講，我拋棄了原來設(shè)計(jì)院的工作，拋棄了在工程領(lǐng)域已有積淀的發(fā)展路線，完全從頭開始從事理論研究。”就算是在熟悉姚文娟的親朋好友的眼里，她的許多選擇都是不被理解的，但她卻始終清楚自己追尋的是什么。在實(shí)現(xiàn)科學(xué)夢想的道路上，她沖破重重屏障，心底的熱愛讓生活越發(fā)熱烈滾燙起來。

1998年，姚文娟通過人才引進(jìn)，進(jìn)入上海大學(xué)土木工程系從事教學(xué)及科研工作，從此正式開始了她用理論指導(dǎo)實(shí)踐的生涯。

饋贈

積跬步以至千里

來到上海大學(xué)后，姚文娟便逐漸走上了交叉學(xué)科發(fā)展的道路。上海國際航運(yùn)中心洋山深水港四期工程就是這樣一個(gè)讓她充分發(fā)揮交叉學(xué)科背景優(yōu)勢的項(xiàng)目。

在現(xiàn)代社會，隨著資源的短缺，建筑物開始向深海發(fā)展，洋山深水港就是一個(gè)探索利用深海資源的嘗試，也是備受國內(nèi)外關(guān)注的重大工程。這樣一個(gè)風(fēng)大浪急、水深軟基的超大深海工程，其基礎(chǔ)超長高樁的設(shè)計(jì)和建造都無先例。

“它的樁側(cè)摩阻力和我們通常樁是完全不同的，在波浪循環(huán)荷載的作用下，土體強(qiáng)度會產(chǎn)生軟化，而且碼頭有大量堆貨，會產(chǎn)生很多負(fù)摩阻力。以往我們靠正摩阻力提供承載力，這時(shí)如果不考慮負(fù)摩阻力就會有很大的安全隱患，因此研發(fā)了負(fù)摩阻力計(jì)算理論?！币ξ木晁f的就是她主持開展的“沿海惡劣環(huán)境下的超大海工結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)超長高樁的理論體系和計(jì)算設(shè)計(jì)方法”。

在研究中，針對超大型海工基礎(chǔ)超長樁樁側(cè)土體摩阻力上部軟化、深部強(qiáng)化的實(shí)測發(fā)現(xiàn)，姚文娟團(tuán)隊(duì)提出了吻合實(shí)際工況的最新的上部軟化的荷載傳遞及深部強(qiáng)化的荷載傳遞模型。除此之外，他們還自編了相應(yīng)的計(jì)算程序，解決了通用軟件無法考慮基礎(chǔ)周圍土體軟強(qiáng)化的計(jì)算問題。通過和實(shí)測數(shù)據(jù)對比，他們提出的模型計(jì)算結(jié)果相對以往的方法，更吻合實(shí)際工程，其計(jì)算精度提高了20%。

考慮港口工程中大量堆貨工況導(dǎo)致樁側(cè)負(fù)摩阻力增大的特點(diǎn)，姚文娟推導(dǎo)得到堆載作用下超長樁與土體的位移及應(yīng)力的矩陣表達(dá)式，提出并研發(fā)出系統(tǒng)的理論計(jì)算方法及適用于非線性大變形分析的數(shù)值軟件，解決了深厚飽和軟黏土地基下深海港工基礎(chǔ)超長樁缺乏理論支撐及計(jì)算方法的瓶頸問題。上述成果發(fā)表在土木工程國際期刊《國際地質(zhì)力學(xué)雜志》（International?Journal?of?Geomechanics-ASCE，封面文章），同時(shí)她還公開發(fā)表系統(tǒng)完整的專著以及大量有影響力的論文。

姚文娟還開發(fā)出在役工況下深厚飽和軟黏土超大海工基礎(chǔ)超長群樁動力響應(yīng)分析模型，結(jié)果與現(xiàn)場測試高度吻合，其論文發(fā)表在土木工程國際期刊《海洋工程》（Ocean?Engineering）及中國科學(xué)院TOP期刊《應(yīng)用數(shù)學(xué)建?！罚ˋpplied?Mathematical?Modelling）上，解決了精準(zhǔn)有效地計(jì)算分析實(shí)際工程中超大海工基礎(chǔ)與周圍土體在反復(fù)的循環(huán)荷載作用下的動力行為難題。

現(xiàn)在，洋山深水港四期工程運(yùn)行已有十幾年時(shí)間，經(jīng)姚文娟團(tuán)隊(duì)參與的設(shè)計(jì)方案通過了時(shí)間的考驗(yàn)。這其中最讓她欣慰的是，自己的理論研究能夠在這樣重大的對外貿(mào)易工程中發(fā)揮作用，兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，當(dāng)年從工程實(shí)踐轉(zhuǎn)向理論研究，如今她又用自己的理論反哺了工程。這份驚喜是命運(yùn)給予奮力拼搏的人的最好饋贈。

跨界

開拓疆域的氣魄

在上海大學(xué)任職期間，姚文娟發(fā)揮所長，參與了不少重大工程的建設(shè)，包括很多享譽(yù)國內(nèi)外的上海超高層建筑及東海大橋項(xiàng)目等。其中她主持國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國防重大科研課題、國家“十五”科技攻關(guān)重大項(xiàng)目子課題，上海市航運(yùn)攻關(guān)課題，以及應(yīng)用研究課題等共26項(xiàng)。2000年以后她發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇，《科學(xué)引文索引》（SCI）收錄100余篇;主撰及主編出版專著4部;發(fā)明專利及軟件著作權(quán)20項(xiàng)。由她承擔(dān)子課題的國家“十五”科技重大攻關(guān)課題“生態(tài)用水計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)研究”獲國家科技進(jìn)步獎二等獎，主編的《土木工程概論》2022年獲全國優(yōu)秀教材獎二等獎。

已經(jīng)在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域取得如此多成果的姚文娟沒有想到，一次偶然的機(jī)會讓她的研究方向再次轉(zhuǎn)向，使她踏入了生物結(jié)構(gòu)的研究天地。

2007年，一位在復(fù)旦大學(xué)中山醫(yī)院五官科做研究的朋友，向姚文娟提起了自己的困惑。“當(dāng)時(shí)他正在研究耳蝸結(jié)構(gòu)，他感覺單純運(yùn)用醫(yī)學(xué)知識很難取得研究上的突破。他說的問題正是和力學(xué)相關(guān)的，力學(xué)是物理的一個(gè)大分支，我覺得生命科學(xué)里面有很多問題就是和力學(xué)相關(guān)的，而我就是學(xué)力學(xué)的。”姚文娟一語道破了朋友遇到的難題——聲波激勵下的動力學(xué)問題。也正是這次談話促使姚文娟再次下定決心，涉足生物結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究，開拓自己的科研疆界。

此時(shí)，已是團(tuán)隊(duì)領(lǐng)頭人的姚文娟想轉(zhuǎn)換研究方向并不是一件容易的事?！坝械膶W(xué)生不愿意做生物結(jié)構(gòu)研究，只想做土木工程研究?！奔幢憷щy重重，姚文娟卻依舊如年輕時(shí)一樣，一旦決定了航向便堅(jiān)定地前行。這時(shí)，她遇到了自己在科研上的同仁——梁俊毅和學(xué)生馬劍威。

梁俊毅本碩博均畢業(yè)于南京大學(xué)物理系，當(dāng)時(shí)南京大學(xué)的物理專業(yè)在全國排名第一，梁俊毅在那里打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。他的研究方向是生物物理，這正是姚文娟當(dāng)時(shí)急需的，他倆一拍即合。馬劍威是姚文娟的碩-博學(xué)生，他從碩士的土木專業(yè)轉(zhuǎn)向博士的生物力學(xué)領(lǐng)域。他們開始了對耳蝸主動感音機(jī)制等的相關(guān)研究。

闖關(guān)

挑戰(zhàn)“無聲”難題

這是一項(xiàng)具有重要現(xiàn)實(shí)意義的研究。

耳聾是一種常見的人類感覺系統(tǒng)障礙性疾病，全球有3.6億人患耳聾疾病，中國患者高達(dá)2780萬，且逐年顯著增長，耳聾嚴(yán)重威脅著人類的健康和生活。然而聽力重建和修復(fù)卻一直是人類懸而未決的問題。

為了吃透這項(xiàng)研究，姚文娟對這一疾病進(jìn)行了深入的了解。據(jù)她介紹，耳聾主要分為感音神經(jīng)性、傳導(dǎo)性和混合性三類，而這其中感音神經(jīng)性耳聾占到絕大部分，且65歲人群的患病率高達(dá)50%。感音神經(jīng)性耳聾源于耳蝸、前庭蝸神經(jīng)或中樞聽覺系統(tǒng)的異常，其中尤以耳蝸的感音病變?yōu)橹鳌＿@是一種迄今無法治愈的疾病，傳統(tǒng)治療多采用輔助式助聽設(shè)備和手術(shù)植入式人工耳蝸，只能部分改善患者的聽力和言語交流能力，并未實(shí)現(xiàn)人耳聽覺功能的自主修復(fù)。

此前，姚文娟的朋友正是因?yàn)閷?nèi)耳感音機(jī)理的研究多基于單純的醫(yī)學(xué)或生物學(xué)方法，對內(nèi)耳感音機(jī)制中涉及的流-固-電多物理場耦合行為特征認(rèn)識不夠，導(dǎo)致研究陷入了瓶頸。因此，她認(rèn)為必須從機(jī)理分析入手，以多學(xué)科交叉的思維，基于生物力學(xué)、生物電學(xué)和醫(yī)學(xué)的原理，從宏觀到微觀不同的視角，構(gòu)建全新的耳蝸模型，探索耳蝸感音機(jī)制中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)——基底膜、蓋膜及毛細(xì)胞在電生理環(huán)境下與淋巴液的流-固-電多物理場耦合作用行為特征，從而認(rèn)知耳蝸的主動感音機(jī)理，從根本上解決目前耳蝸臨床醫(yī)學(xué)上所面臨的問題。

在研究過程中，姚文娟課題組基于數(shù)學(xué)物理及生物學(xué)等多學(xué)科理論，巧妙地利用張量映射方法，推導(dǎo)出空間螺旋耳蝸中淋巴液與基底膜的流-固耦合運(yùn)動控制方程，建立了吻合真實(shí)人體的空間螺旋形體耳蝸宏觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)理論解析模型和數(shù)值模型。基于理論解析和數(shù)值分析，他們驚喜地發(fā)現(xiàn)，耳蝸宏觀支撐結(jié)構(gòu)基底膜在低頻下存在一種新的運(yùn)動模式——駐波振動（迄今為止未見報(bào)道）。這一發(fā)現(xiàn)突破了諾貝爾獲獎?wù)呱w歐爾格·馮·貝凱希于1960年通過實(shí)驗(yàn)提出基底膜的行波運(yùn)動理論的局限性，由此詮釋了低頻感音機(jī)制和行波理論不能解釋的許多近代實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

對于姚文娟來說，這是一場奇幻的科研旅行。每當(dāng)她在研究中發(fā)現(xiàn)不可思議的現(xiàn)象時(shí)，就會向梁俊毅發(fā)出研討“信號”?！八沧鰧?shí)驗(yàn)，不像我們只知道理論，他常常從實(shí)驗(yàn)的角度來幫我分析，對我的啟發(fā)很大?！碑?dāng)時(shí)，針對一系列新的發(fā)現(xiàn)，姚文娟撰寫了論文，還特意邀請梁俊毅幫她寫摘要，并對文章進(jìn)行修改。他們將這一研究成果投稿于《自然·通訊》（Nature?Communications），并通過了嚴(yán)格的初審和外審，在外審修回后編輯部肯定了他們的新發(fā)現(xiàn)是一個(gè)重大突破，但是指出論文尚缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

實(shí)驗(yàn)——這是姚文娟自跨學(xué)科以來碰到的一大難題。

從事理論研究的姚文娟需要找到一家可以合作實(shí)驗(yàn)的單位。她本來想等到實(shí)驗(yàn)結(jié)果出來，依舊投稿《自然》（Nature）雜志，因此，她把論文保存起來，一直未投稿，但沒想到這一等就是許多年。梁俊毅也在這期間去了馬里蘭大學(xué)從事研究?，F(xiàn)如今，姚文娟正在同復(fù)旦大學(xué)附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。雖然未能發(fā)表在自己預(yù)期的雜志上，但這項(xiàng)重要的發(fā)現(xiàn)還是為姚文娟贏得了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“耳蝸主動感音機(jī)制中多物理場耦合非線性行為特征研究”以及國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“基于耳蝸宏微觀多結(jié)構(gòu)聯(lián)動的聽覺主動放大機(jī)制”。

在這項(xiàng)研究中，姚文娟的目標(biāo)是采用生物力學(xué)和生物電學(xué)原理，建立反映耳蝸實(shí)際尺寸和生理特征的主動耳蝸-多物理場及化學(xué)（流-固-電-化）耦合理論模型，用數(shù)值仿真模擬耳蝸真實(shí)的感音過程，通過理論模型定性分析和數(shù)值模擬的仿真計(jì)算，逼真地刻畫基底膜、蓋膜、外毛細(xì)胞體及靜纖毛與淋巴液在電生理環(huán)境下的耦合非線性動力學(xué)行為和能量轉(zhuǎn)換規(guī)律，闡釋耳蝸感音中的主動機(jī)制，分析內(nèi)耳結(jié)構(gòu)創(chuàng)傷及病變對感音結(jié)構(gòu)聽力閾值的影響，探究感音神經(jīng)性耳聾病理與力-電-化耦合行為的關(guān)系，最大限度地解決感音神經(jīng)性耳聾中的疑難問題。

再次獲得實(shí)驗(yàn)研究耳蝸關(guān)鍵宏觀結(jié)構(gòu)BM在生理環(huán)境中的振動模式是姚文娟申請的國家重點(diǎn)課題的主要目標(biāo)之一。承接此前的積累，項(xiàng)目擬通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證新的機(jī)制，同時(shí)，采用多學(xué)科交叉綜合集成思路，建立復(fù)雜耳蝸內(nèi)各組織結(jié)構(gòu)的多結(jié)構(gòu)聯(lián)動力學(xué)理論解析及數(shù)值模擬聯(lián)合模型，整體把握耳蝸系統(tǒng)各組織結(jié)構(gòu)的相互作用轉(zhuǎn)換規(guī)律;探討基底膜、毛細(xì)胞等微觀結(jié)構(gòu)的運(yùn)動與離子通道啟閉間的關(guān)系，膜蛋白電荷轉(zhuǎn)移與毛細(xì)胞體電致運(yùn)動的關(guān)系;從物理、生物、化學(xué)和醫(yī)學(xué)機(jī)制上全面揭示耳蝸主動感音放大機(jī)理，同時(shí)為術(shù)后聽力恢復(fù)的預(yù)測提供高效逼真的數(shù)值分析平臺，為解決感音性耳聾的疑難問題提供理論依據(jù)和應(yīng)用基礎(chǔ)。

目前這一項(xiàng)目仍在進(jìn)行中，2021年10月，姚文娟課題組的相關(guān)文章已經(jīng)在中國科學(xué)院一區(qū)國際TOP期刊《非線性科學(xué)與數(shù)值模擬通訊》（Communications?in?Nonlinear?Science?and?Numerical?Simulation）發(fā)表。對姚文娟來說，這是對她跨界科研的階段性總結(jié)，研究仍在繼續(xù)，姚文娟在不疾不徐地期待著那個(gè)夢想中的突破。

感恩

得道者多助

不斷跨界，不斷創(chuàng)新，姚文娟很少說起自己一路走來所經(jīng)歷的艱辛，常常提起的反而是對幫助過她的人的感激。

“雖然梁俊毅去了美國，我還經(jīng)常會在微信上跟他聊一聊實(shí)驗(yàn)進(jìn)展的情況以及遇到的一些問題。我真的要感謝梁俊毅，帶給我很多科研上的幫助與啟發(fā)。我還要感謝我的學(xué)生，他們做出了很多的努力?！痹谒睦铮撬腥斯餐Σ攀惯@項(xiàng)研究得以誕生和延續(xù)。

姚文娟幾乎對與自己合作過的每個(gè)人都心懷感激。

她感激上海建工集團(tuán)給她以專家禮遇，她總說：“實(shí)際上跟建工集團(tuán)的龔劍總工相比，我們做的工作不及他們，他們做了那么多成果轉(zhuǎn)化，我只是做了些微薄的工作。而我的學(xué)生房霆宸現(xiàn)在已經(jīng)成為集團(tuán)骨干，進(jìn)入集團(tuán)后也給了我們很多支持，成為高校和工程單位之間的一座橋梁?！彼埠芨兄x中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司的程澤坤總工程師，“在一些深海重大工程中與他的合作研究受益匪淺”。

而在科研上，姚文娟最感激的是上海大學(xué)歷任領(lǐng)導(dǎo)對她的支持。從引進(jìn)她入校的周哲瑋校長，到支持她不斷進(jìn)行跨學(xué)科創(chuàng)新的金東寒書記，再到如今在她逾花甲之年依舊支持她從事科研創(chuàng)新的劉昌勝校長，以及學(xué)科領(lǐng)導(dǎo)郭興明書記、張?zhí)镏以洪L。“他們都是特別重視人才的領(lǐng)導(dǎo)，而且對于我這個(gè)年紀(jì)的人，他們還能夠打破常規(guī)觀念，大力支持我們做交叉學(xué)科研究，非常難得，也因此我們學(xué)校有著非常好的學(xué)術(shù)氛圍?！?/p>

姚文娟要感謝的人太多了，在尋常人看來這似乎是一種客套，但跟她面對面交流卻能真切地感受到她話語中的真誠。她就是這樣一個(gè)人，從不愿說起自己經(jīng)歷的苦楚、曾經(jīng)的榮光，有的只是一個(gè)科研人樸實(shí)的講述、平靜客觀的回望與發(fā)自內(nèi)心的感恩。也許沒有這份舉重若輕的平常心，也很難踏實(shí)地坐熱那張冷板凳。

姚文娟最后要感謝的人是她的母親?！八轻t(yī)學(xué)院的，我小時(shí)候她就跟我講，一個(gè)人要有抱負(fù)，才會有前途;一個(gè)國家要有科技，才會強(qiáng)大。那時(shí)候科研的理想就在我心里扎了根，我想當(dāng)工程師、醫(yī)生、科學(xué)家，這份理想一直指引著我?！闭f到這里，姚文娟嘴角浮現(xiàn)出笑意，“這個(gè)理想我還在實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)成為一名合格科學(xué)家的理想，雖然理想實(shí)現(xiàn)得還不是很圓滿，但我覺得自己非常幸福?！贝丝?，姚文娟的眼睛如充滿憧憬的孩童一樣，因理想而熠熠生光。

（責(zé)編：李白薇）