中國科學院院士、南京航空航天大學納米科學研究所所長郭萬林：從數字飛機到智能時代

2020年8月，由中國科學技術協會主辦，中國科協企業創新服務中心、中國電子學會、無錫市科學技術協會、無錫市工業和信息化局、無錫市大數據管理局承辦的“企業創新大家談”論壇在無錫成功舉辦。在主峰會上，中國科學院院士、南京航空航天大學納米科學研究所所長郭萬林就“從數字飛機到智能時代”發表演講，本文整理了他的觀點。

人類文明進程：材料與技術

人類的發展，一代材料，一代技術。從距今幾百萬年前的舊石器時代，到新石器時代，到我們今天這個時代，到鋼鐵的時代、材料的時代。

大家提出這個時代怎么發展納米技術。一根碳納米管是由從鉛筆心里剝出來的單片碳原子的石墨烯卷曲而成的，用碳納米管構筑的晶體管會比硅電子跑的速率高四五個量級。目前，北京大學研究組能用納米管搭乘能量耗散最快、尺寸最小、效率最高的存儲器，但是把它發展成納米的集成電路需要幾百億元的投資，需十到二十年才能成為產業。

現在大家不滿足于低維的。從半導體的薄膜到低維的各種納米材料，到現在追求表面的，構成所謂的量子材料。20年前，我們想硅結束以后納米科技、量子科技是不是能夠帶來讓中國跟大家站在同一起跑線上的技術，但是現在納米的技術、量子的材料仍然歸于半導體功能信息材料。

所以今天我們從承載的結構材料，到半導體信息材料等納米量子，仍然是信息功能材料的時代。

面對當前工程需求的挑戰，如何突破二維理論局限，預測三維結構性能，實現數字孿生？

如何突破解不了的四階偏微分方程？只能解簡單的二維預測三維電子飛機、大橋結構的信息，實現真正的數字孿生。也就是說，從物理的飛機，到數字的飛機，性能完全模擬真實飛機的性能。面向未來如何融入從一維、二維的世界走向三維的理論，我們能夠從二維理論指導下制定的材料實驗標準數據中預測出三維結構的疲勞斷裂性能。

高溫情況下，發動機又發明了達爾文式的基于經驗損傷、預測的軟件。我們在三維領域基礎上建立了中國的，完全覆蓋達爾文式的，因為它是以二維理論為基礎的，我們是以三維理論為基礎的。我們現在從常溫推到高溫，覆蓋達爾文式的，成為科學預測的工具。在這里我們不可能受美國制裁或者“卡脖子”，30多年前我們就開始引領，走在了前面。我們有好的軟件、技術可以進行飛機的設計。科學技術謀在未來，我們才能解決當下的問題。

過去把牛頓力學、量子力學結合發展物理力學，從基建的變形，力、電、磁、光、熱耦合，納米材料，比如說到生命體，神經內的通道是通道。研究我們做出一系列的基礎研究，我們把飛機的預測技術跟監測技術、納米智能的技術結合起來，構成飛機的面向智能監測，單機監控壽命指針的技術，靠非參來確定飛機的全壽命的安全。每架飛機的飛行任務不一樣，它的損傷不一樣，它使用的時間也不一樣。我們建立一整套科學的方法，正在與商飛推進在AR界到C919、C929，從上到下、從下到上執行這樣的體系，數字化時代面向智能化時代。

跨越維度與尺度的研究：數字飛機、數字發動機、材料結構功能一體化

我們希望我們建立的這一套，能成為國際新的適航性的標準。去年郭院士在日本得到了一個國際獎項，授獎的原因是對航空結構完整性和耐久性，以及納米力學持續的貢獻。

郭院士介紹，從20世紀初量子力學醞釀，到20世紀中期硅材料、半導體的興起，到今天的芯片，已經到了最后的高音階段。硅的時代僅僅是一個開始。最初，4平方毫米見方的芯片上做六七個器件，現在可做的數量每18個月翻一番，每兩年差不多就是一代。硅材料發展到現在已經成年了，那么硅材料的下一代是什么？

碳材料是硅材料之后科學家探索最多，研究最多、最深透的一種材料，是不是可以說二維科技可以顛覆我們的生活？我們希望如此，但是我們現在大量的二維材料的應用，還都是把硅和過去用普通材料做過的研究再做一遍，看能不能比它們做得好，到現在為止，好像還很難取代。郭院士認為，碳應當找它的時代，就像硅沒有代替鋼鐵一樣。也就是說，碳、二維材料、新的材料，應當發展下一代的用途，而不是再去做與硅相同的研究。這樣的話，二維材料的時代才真正到來了。

過去從原子一維材料的性能，二維材料的性能，到三維的飛機結構，到比如說高溫的結構，我們實現給數字飛機、數字發動機奠定了核心的技術。我們現在在推動軍用、民用和軍民兩用飛機發動機的發展，沿著半導體到納米時代到結構功能一體化，使我們的飛機能夠智能化融合電機，未來我們正在發展。

（根據“企業創新大家談”速記材料整理，由無錫市科技咨詢服務中心供稿。）