从小颗粒中探索无限新“宇宙”

——香港城市大学建筑与土木工程系教授 王剑锋

颗粒虽小，却能决定山川的稳定；数据虽抽象，却能预测自然的脉动。在王剑锋的科学世界中，每一颗看似“渺小”的颗粒材料背后都承载着微观的和宏观的力量，而他在颗粒材料的宏微观世界中往来穿梭，像是武侠世界中数十年磨一剑、最终论剑于华山之巅的侠客，上下求索，朝夕不倦，最终一步步揭示和发现颗粒物质的奥妙。

求学之旅：一路繁花

20世纪八九十年代的中国，在经历了动荡期的阵痛之后，终于迎来了他的蓬勃发展期。那是一个充满梦幻的年代，现实世界里，望上去高耸入云的起重机终日忙碌着将城市装点成钢筋水泥的世界，国人们以“三天一层楼”的中国速度向世界拼命展现着自己；而在精神世界中，金庸的武侠小说成为人们的精神食粮，书里毛头小子仗剑天涯，一路跌跌撞撞，终于习得武林绝学，成为一代宗师的故事曾经激励着无数的追梦人。

彼时，王剑锋刚刚经历了高考，走在人生的十字路口上，也像金庸笔下初踏入江湖的懵懂少年一样，“很长一段时间对未来的规划都是稀里糊涂的”。但在跌跌撞撞向前走的过程中，他很幸运地被同济大学地下建筑与工程系录取，学习建筑工程专业。

在那个年代，全国各地的建筑业迅猛发展，与此同时，研究学者们开始将焦点转向土体的微观行为，他们运用CT实验、DEM、多尺度模拟等先进技术，从微观到宏观探索土体的复杂行为。这些方法不仅推动了土力学的发展，也为解决实际工程问题提供了新的解决方案。在王剑锋所在的系，很多岩土工程的老师们正是由于参与上海基坑工程而成为当时的百万富翁，成为学生中流传的佳话和奋斗的动力，王剑锋对相关专业也有了更深层次的了解并建立起探索欲望。

岩土研究奖章颁发现场（2011.英国伦敦）

本科毕业后，怀着“一定要试一试考研”的心态，王剑锋和自己的同窗好友在同济的自习室里通宵达旦，备战考试，经过一番努力，幸运之神再次降临，那一年，他成功进入同济大学朱合华院士的课题组，成为朱老师最早的一批研究生，并开始关注到数字地层、地理信息系统（GIS）和人工智能算法等前沿课题。

但对于当时的王剑锋来说，他的学术之路充满着欢喜与忧虑。忧的是，一路开启的学霸模式似乎未能解决王剑锋在学术上的困惑，他就像是金庸笔下那个虽天赋异禀但又尚未开窍的武侠少年，“可惜当时的自己还是没怎么开窍，心思也没太用在科研上”。喜的是，他在此后的求学之路上一路绿灯，很少遭遇挫折，硕士毕业后看别人都在考托福，于是发奋读书几个月，结果以超高分的成绩收到美国弗吉尼亚理工大学的全额奖学金邀请，并将在未来的学术道路上大放异彩。

远赴重洋：悟得真谛

2002年，王剑锋跨越重洋，来到美国弗吉尼亚理工大学开启了他的博士生涯。在那里，他被国际一流学者在基础研究领域的风范和水平深深吸引，并有幸遇到他的两位恩师——约瑟夫·多夫（Joseph Dove）教授和马尔特·古铁雷斯（Marte Gutierrez）教授，专注于粗粒土与结构面接触面的离散元模拟研究。在他们的引导之下，王剑锋走入了颗粒材料的研究大门。

2023 Géotechnique 75周年青年科学家奖颁发现场

所谓颗粒材料，就是指石坝工程、公路与铁路工程、地铁与轨道交通、地下空间开发、海洋海岸与港口工程、能源与环境等研究对象或附存环境中存在的离散形式的砂土、碎石、粗粒土等，这些岩土颗粒材料看似简单，但其表现出远比固体和流体复杂的物理力学特性。通过对颗粒材料进行研究，不仅可以在土木工程领域预见并防范自然灾害，如地基塌方、边坡失稳、泥石流等，还能突破传统土力学的边界，利用颗粒材料的共通性，将其规律应用至微塑胶污染、化工、冶金和制药等研究领域，为这些行业带去革命性的突破。但在当时，科研人员对于颗粒材料的探索尚处于初步阶段，诺贝尔奖获得者de Gennes教授在1999年指出：“我们对颗粒这种离散的非平衡态体系的每一件事都尚待理解，整体认知水平就如同20世纪30年代我们对固体物理的理解。”

更让王剑锋心里觉得不是滋味的，是在阅读相关文献的过程中，王剑锋注意到尽管中国学者在岩土工程领域耕耘已久，也不乏名家大师，但与国际同行相比，名字和作品出现的频率“低得可怜”。这种感受在他未来的学术生涯中，默默地激励着他不断前行。

在多夫教授和古铁雷斯教授的辛勤指导下，王剑锋在学术之路上逐渐拨开云雾见月明，从当年稀里糊涂的小伙子慢慢地领悟到科研的真谛。博士三年级，当他的第一篇文章投给《岩土工程》（ Géotechnique ）——领域备受瞩目的国际期刊时，意想不到地收到了非常正面且支持性的评审意见，并在半年后顺利发表。随后，王剑锋如同武侠小说中参悟了武林秘籍的侠客，破茧成蝶，其文章一篇接一篇地陆续发表在多个主流期刊上，从而开启了他的科研新篇章。

苦其心志：更上层楼

2008年，凭借着曾经取得的优异成绩，王剑锋顺利入职香港城市大学，在这里，他将利用自己所学到的知识，在颗粒材料领域大展拳脚。

2012年，在同事马修·库珀（Matthew Coop）教授的牵引下，王剑锋进入CT研究领域，研究单颗砂粒的破碎行为，此后接连开展了十多个香港研资局和国家自然科学基金项目，其中大多数都属于具有重大科学价值的基础研究。

然而，就在王剑锋钻研攻关关键技术的过程中，其面临了从事学术以来最大的危机——两次申请终身教职被拒。作为曾经一路过关斩将、成绩优异的天之骄子，接连受挫一度让王剑锋怀疑人生。那两年可以说是王剑锋人生最低谷，身体状况也很糟糕，“毫不夸张地说，有好多次我都准备竖着进教室，横着出教室”。在那段最黯淡的日子里，王剑锋没有消沉和放弃，而是咬紧牙关，继续前行，最终花了9年时间拿到终身教职。这让王剑锋体会到坚持与勇气的价值，也让他在未来科研的道路上更加坚定从容。

部分课题组成员

2016年，王剑锋带领团队依托CT扫描技术，细致地完成了试样中所有颗粒的一对一映射，并构建了精细的离散元模拟。在这一过程中，每一个颗粒的真实形态都被精确捕捉并复现，形成了它的“数字孪生体”（digital twin），这在以往的研究中是未曾实现的。这一成果不仅精确复制了颗粒的几何形态和物理特征，更在数字领域为它们赋予了新的生命，为颗粒材料的深入研究提供了一种全新的视角和方法。2020年，王剑锋和他的科研团队又一次站在了创新的前沿。他们以CT试验和精细离散元模拟所积累的丰富数据库为基础，采用深度学习这一强大的工具来预测试样内颗粒间的接触力和本构行为。这一研究不仅具有创新性，更在颗粒材料的研究领域中具有重要意义——因为以往的实验技术无法直接测量颗粒间的接触力，而它正是阻碍研究者完全理解颗粒材料的“最后一道屏障”；而对砂土本构行为的精准预测则预示着未来有可能建立不依赖弹塑性理论框架的新型的数据驱动模拟方法。

在最近的一项研究中，王剑锋和他的研究伙伴们更是将颗粒追踪技术与数字图像体关联技术（DVC）相结合，应用于砂土与黏土的混合物。这一创新使得科研人员能够精准计算这种离散—连续介质的三维变形，就像是在显微镜下观察砂土和黏土的微观世界，能够看到它们如何在压力下变形，如何相互作用。这项研究的意义不仅在于它为颗粒材料的力学研究提供了全新的方法和技巧，更在于它为研究人员理解自然界中的地质现象，以及在工程领域中设计更安全、更耐久的颗粒材料结构，提供了新的视角和可能性。

一本武侠秘籍中蕴含着拯救苍生的真谛，一颗小小的岩石颗粒中反映了广阔无垠的宇宙。从孤身一人远赴重洋求学到带领整个团队深入颗粒材料研究，王剑锋正一步一个脚印，助己、助人参透颗粒材料的无限奥秘，为各行业、为社会做出自己的一份贡献！（文/李瑞）

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