中國(guó)科學(xué)院院士、南京航空航天大學(xué)納米科學(xué)研究所所長(zhǎng)郭萬(wàn)林：從數(shù)字飛機(jī)到智能時(shí)代

2020年8月，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主辦，中國(guó)科協(xié)企業(yè)創(chuàng)新服務(wù)中心、中國(guó)電子學(xué)會(huì)、無(wú)錫市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、無(wú)錫市工業(yè)和信息化局、無(wú)錫市大數(shù)據(jù)管理局承辦的“企業(yè)創(chuàng)新大家談”論壇在無(wú)錫成功舉辦。在主峰會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院院士、南京航空航天大學(xué)納米科學(xué)研究所所長(zhǎng)郭萬(wàn)林就“從數(shù)字飛機(jī)到智能時(shí)代”發(fā)表演講，本文整理了他的觀(guān)點(diǎn)。

人類(lèi)文明進(jìn)程：材料與技術(shù)

人類(lèi)的發(fā)展，一代材料，一代技術(shù)。從距今幾百萬(wàn)年前的舊石器時(shí)代，到新石器時(shí)代，到我們今天這個(gè)時(shí)代，到鋼鐵的時(shí)代、材料的時(shí)代。

大家提出這個(gè)時(shí)代怎么發(fā)展納米技術(shù)。一根碳納米管是由從鉛筆心里剝出來(lái)的單片碳原子的石墨烯卷曲而成的，用碳納米管構(gòu)筑的晶體管會(huì)比硅電子跑的速率高四五個(gè)量級(jí)。目前，北京大學(xué)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(chǔ)器，但是把它發(fā)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(chǎn)業(yè)。

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

所以今天我們從承載的結(jié)構(gòu)材料，到半導(dǎo)體信息材料等納米量子，仍然是信息功能材料的時(shí)代。

面對(duì)當(dāng)前工程需求的挑戰(zhàn)，如何突破二維理論局限，預(yù)測(cè)三維結(jié)構(gòu)性能，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生？

如何突破解不了的四階偏微分方程？只能解簡(jiǎn)單的二維預(yù)測(cè)三維電子飛機(jī)、大橋結(jié)構(gòu)的信息，實(shí)現(xiàn)真正的數(shù)字孿生。也就是說(shuō)，從物理的飛機(jī)，到數(shù)字的飛機(jī)，性能完全模擬真實(shí)飛機(jī)的性能。面向未來(lái)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(dǎo)下制定的材料實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中預(yù)測(cè)出三維結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂性能。

高溫情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)又發(fā)明了達(dá)爾文式的基于經(jīng)驗(yàn)損傷、預(yù)測(cè)的軟件。我們?cè)谌S領(lǐng)域基礎(chǔ)上建立了中國(guó)的，完全覆蓋達(dá)爾文式的，因?yàn)樗且远S理論為基礎(chǔ)的，我們是以三維理論為基礎(chǔ)的。我們現(xiàn)在從常溫推到高溫，覆蓋達(dá)爾文式的，成為科學(xué)預(yù)測(cè)的工具。在這里我們不可能受美國(guó)制裁或者“卡脖子”，30多年前我們就開(kāi)始引領(lǐng)，走在了前面。我們有好的軟件、技術(shù)可以進(jìn)行飛機(jī)的設(shè)計(jì)。科學(xué)技術(shù)謀在未來(lái)，我們才能解決當(dāng)下的問(wèn)題。

過(guò)去把牛頓力學(xué)、量子力學(xué)結(jié)合發(fā)展物理力學(xué)，從基建的變形，力、電、磁、光、熱耦合，納米材料，比如說(shuō)到生命體，神經(jīng)內(nèi)的通道是通道。研究我們做出一系列的基礎(chǔ)研究，我們把飛機(jī)的預(yù)測(cè)技術(shù)跟監(jiān)測(cè)技術(shù)、納米智能的技術(shù)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成飛機(jī)的面向智能監(jiān)測(cè)，單機(jī)監(jiān)控壽命指針的技術(shù)，靠非參來(lái)確定飛機(jī)的全壽命的安全。每架飛機(jī)的飛行任務(wù)不一樣，它的損傷不一樣，它使用的時(shí)間也不一樣。我們建立一整套科學(xué)的方法，正在與商飛推進(jìn)在AR界到C919、C929，從上到下、從下到上執(zhí)行這樣的體系，數(shù)字化時(shí)代面向智能化時(shí)代。

跨越維度與尺度的研究：數(shù)字飛機(jī)、數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)、材料結(jié)構(gòu)功能一體化

我們希望我們建立的這一套，能成為國(guó)際新的適航性的標(biāo)準(zhǔn)。去年郭院士在日本得到了一個(gè)國(guó)際獎(jiǎng)項(xiàng)，授獎(jiǎng)的原因是對(duì)航空結(jié)構(gòu)完整性和耐久性，以及納米力學(xué)持續(xù)的貢獻(xiàn)。

郭院士介紹，從20世紀(jì)初量子力學(xué)醞釀，到20世紀(jì)中期硅材料、半導(dǎo)體的興起，到今天的芯片，已經(jīng)到了最后的高音階段。硅的時(shí)代僅僅是一個(gè)開(kāi)始。最初，4平方毫米見(jiàn)方的芯片上做六七個(gè)器件，現(xiàn)在可做的數(shù)量每18個(gè)月翻一番，每?jī)赡瓴畈欢嗑褪且淮９璨牧习l(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)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(xué)家探索最多，研究最多、最深透的一種材料，是不是可以說(shuō)二維科技可以顛覆我們的生活？我們希望如此，但是我們現(xiàn)在大量的二維材料的應(yīng)用，還都是把硅和過(guò)去用普通材料做過(guò)的研究再做一遍，看能不能比它們做得好，到現(xiàn)在為止，好像還很難取代。郭院士認(rèn)為，碳應(yīng)當(dāng)找它的時(shí)代，就像硅沒(méi)有代替鋼鐵一樣。也就是說(shuō)，碳、二維材料、新的材料，應(yīng)當(dāng)發(fā)展下一代的用途，而不是再去做與硅相同的研究。這樣的話(huà)，二維材料的時(shí)代才真正到來(lái)了。

過(guò)去從原子一維材料的性能，二維材料的性能，到三維的飛機(jī)結(jié)構(gòu)，到比如說(shuō)高溫的結(jié)構(gòu)，我們實(shí)現(xiàn)給數(shù)字飛機(jī)、數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)奠定了核心的技術(shù)。我們現(xiàn)在在推動(dòng)軍用、民用和軍民兩用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，沿著半導(dǎo)體到納米時(shí)代到結(jié)構(gòu)功能一體化，使我們的飛機(jī)能夠智能化融合電機(jī)，未來(lái)我們正在發(fā)展。

（根據(jù)“企業(yè)創(chuàng)新大家談”速記材料整理，由無(wú)錫市科技咨詢(xún)服務(wù)中心供稿。）