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北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授吳凱（右二）和團(tuán)隊(duì)成員討論。 北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院供圖
人工智能與生命科學(xué)相結(jié)合，高效預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，助力新型藥物研發(fā)；材料學(xué)、臨床神經(jīng)科學(xué)以及工程技術(shù)等交叉融匯，腦機(jī)接口技術(shù)有望迎來新突破；量子計算融合了物理學(xué)和信息科學(xué)，推動計算科學(xué)的變革式發(fā)展……
近年來，科學(xué)研究向極綜合交叉發(fā)力，學(xué)科交叉融合成為加快科技創(chuàng)新的重要驅(qū)動力，強(qiáng)化學(xué)科交叉成為推動科技創(chuàng)新的重要途徑，有望產(chǎn)生更多顛覆性技術(shù)和引領(lǐng)性原創(chuàng)成果。
“科學(xué)研究向極綜合交叉發(fā)力”的內(nèi)涵是什么？將給科學(xué)研究帶來哪些影響？記者采訪了相關(guān)專家。
科學(xué)問題本身不再局限于某一學(xué)科，解決問題需要多學(xué)科的協(xié)同支撐
什么是極綜合交叉的科學(xué)研究？
在北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授吳凱看來，極綜合交叉科學(xué)研究的核心，即科學(xué)問題本身不再局限于某一學(xué)科，解決問題需要多學(xué)科的協(xié)同支撐。
科學(xué)界普遍認(rèn)為，極綜合交叉的科學(xué)研究，旨在利用多個學(xué)科的知識與方法，在解決科學(xué)技術(shù)問題過程中進(jìn)行深度融合和極限交叉，推動研究范式變革，開辟新的學(xué)科方向和研究領(lǐng)域。
極綜合交叉的科學(xué)研究具備一些顯著特征。“極綜合交叉的科學(xué)研究往往具備一定科學(xué)問題導(dǎo)向。也就是說，它的研究模式通常圍繞一個復(fù)雜的中心科學(xué)問題，需要多學(xué)科、多視角地提出解決方案。”吳凱說。
“當(dāng)科學(xué)研究發(fā)展到一定階段，某些單一學(xué)科維度上的突破將會變得異常艱難，急需不同學(xué)科交叉融合、協(xié)同探索，實(shí)現(xiàn)事半功倍的效果。”中國科學(xué)院工程熱物理研究所研究員鄭會龍說。
鄭會龍主要從事智能飛行控制的科研工作，他以自己的研究為例。原本團(tuán)隊(duì)需要為航空發(fā)動機(jī)某一關(guān)鍵部件研制40多個零件，受益于3D打印技術(shù)，許多零件都能實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計制造，如今只需制造7個零件就能達(dá)到同樣性能，極大提升了效率。“如果將3D打印技術(shù)和復(fù)材技術(shù)結(jié)合，把碳纖維材料編織于設(shè)備中，不但可以提高設(shè)備的耐損耗度和輕盈度，還能更利于設(shè)計成傳感器，提升設(shè)備智能。”鄭會龍說。
再如，傳統(tǒng)飛機(jī)控制領(lǐng)域的科研工作，主要依托流體力學(xué)和控制理論的耦合實(shí)踐。鄭會龍團(tuán)隊(duì)正在抓緊攻關(guān)，將人工智能技術(shù)賦能飛行控制，幫助飛機(jī)塑造“智能大腦”，進(jìn)行飛行姿態(tài)自學(xué)習(xí)控制及自學(xué)習(xí)軌跡規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)自主飛行，這可能是未來巡飛行業(yè)的發(fā)展方向。
學(xué)科交叉融合釋放的潛力巨大，如今，越來越多的科學(xué)突破和技術(shù)變革通過學(xué)科交叉融合而實(shí)現(xiàn)。
科學(xué)研究的交叉，不僅局限于自然科學(xué)或工程科學(xué)領(lǐng)域。專家認(rèn)為，極綜合交叉還應(yīng)容納自然科學(xué)與社會科學(xué)的“跨界”交叉融合。
中國科學(xué)技術(shù)信息研究所研究員徐峰表示，隨著人工智能的發(fā)展，其科學(xué)研究已不僅是單純的科技問題，也會涉及倫理道德和文化觀念等問題，需要確保把有益于人類的價值觀、道德觀和法律法規(guī)貫穿于人工智能的產(chǎn)品和服務(wù)。為此，應(yīng)該建立多學(xué)科的合作，加強(qiáng)科學(xué)家、工程師、政策制定者以及公眾的參與，共同探討人工智能的發(fā)展方向、應(yīng)用領(lǐng)域和道德倫理問題。
如何理解極綜合交叉的“極”？受訪專家表示，交叉融合的“交叉”絕非簡單的“1+1”，不是將兩個學(xué)科簡單拼湊到一起，而是在對原有學(xué)科精耕細(xì)作的基礎(chǔ)上，甚至在不同維度和層面之間，找到與其他學(xué)科的內(nèi)在邏輯聯(lián)系，相互作用培育出新的學(xué)術(shù)增長點(diǎn)，創(chuàng)造出“1+1＞2”的效果。因此，從事交叉融合科研探索，要謹(jǐn)防為了交叉而交叉，否則只會在創(chuàng)新的邊緣反復(fù)徘徊，浪費(fèi)資源和精力。
極綜合交叉的科學(xué)研究，推動解決前沿科學(xué)問題，產(chǎn)出重大科研成果
物理學(xué)家薛定諤利用量子力學(xué)和熱力學(xué)探究生命本質(zhì)，催生了分子生物學(xué)；屠呦呦從中醫(yī)藥中提取出青蒿素，開辟了人類抗瘧疾的新途徑……這些都顯示了跨學(xué)科的創(chuàng)新力量。
極綜合交叉的科學(xué)研究，不僅是推動基礎(chǔ)科學(xué)研究和解決復(fù)雜技術(shù)問題的關(guān)鍵途徑，也是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的動力引擎。
表界面科學(xué)是化學(xué)、物理學(xué)、納米材料、能源環(huán)境乃至生命健康等學(xué)科的交匯。近年來，吳凱團(tuán)隊(duì)研制出國家重大科研儀器“超高時—空分辨的離子化學(xué)研究系統(tǒng)”，這一系統(tǒng)融合了表面化學(xué)、凝聚態(tài)物理、超快光學(xué)、電子信息與工程等多個學(xué)科的知識和技術(shù)。
“這個系統(tǒng)能夠?qū)蝹€金屬或非金屬離子精準(zhǔn)地軟著陸到特定遷移介質(zhì)表面，并實(shí)時監(jiān)測單個離子在不同界面的遷移動力學(xué)、溶劑化過程、電荷轉(zhuǎn)移和能量輸運(yùn)。”吳凱介紹，人們得以從宏觀到微觀、從靜態(tài)到動態(tài)對離子的物理化學(xué)性質(zhì)開展全方位的研究，直接為乏燃料安全處置、離子電池及資源回收等產(chǎn)業(yè)需求提供強(qiáng)有力技術(shù)支撐。
通過學(xué)科深度交叉融合，近年來我國取得了許多突破性進(jìn)展成果。
在低維材料、表面物理和微觀表征等多個學(xué)科的交叉研究中，清華大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士薛其坤團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了“量子反常霍爾效應(yīng)”，突破了人們對量子體系的物理認(rèn)知，展示了極綜合交叉研究的新范式，彰顯了低維材料表界面的新奇物性。這一科研成果獲得了2018年度國家自然科學(xué)獎一等獎。
受益于量子化學(xué)理論與計算、催化化學(xué)和化學(xué)工程等學(xué)科的高度交叉融合，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所研究員李永旺團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的中溫間接煤制油成套技術(shù)。該技術(shù)不僅在保障我國能源安全方面具有重要戰(zhàn)略意義，還為煤炭資源的高效清潔利用提供了新的途徑。這一研究成果獲得了2020年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎。
這些案例表明，極綜合交叉研究可以整合多學(xué)科的理論原理和方法技術(shù)，推動前沿科學(xué)問題的解決，產(chǎn)出重大科研成果。
推動學(xué)科交叉融合是全球科技界的共識。專家認(rèn)為，科學(xué)研究向“極綜合交叉”發(fā)力的趨勢，源自當(dāng)代全球科技發(fā)展態(tài)勢的深刻變革，以及科學(xué)問題的復(fù)雜性和多樣性。如今，世界各國都在積極推動交叉學(xué)科研究，開拓科學(xué)視野，產(chǎn)生新的創(chuàng)新契機(jī)，帶來新的解決方案。
極綜合交叉的科學(xué)研究模式具有獨(dú)特的創(chuàng)新驅(qū)動力，更容易產(chǎn)生顛覆性技術(shù)和引領(lǐng)性原創(chuàng)成果。許多原始重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)進(jìn)步，都來自學(xué)科間的思想碰撞和原理融合。近年來，相當(dāng)一部分諾貝爾自然科學(xué)獎是交叉學(xué)科碰觸出的火花。比如，今年的諾貝爾化學(xué)獎授予了在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測上作出突出貢獻(xiàn)的3位科學(xué)家，這是綜合科學(xué)研究產(chǎn)出的又一代表性成果。
打造交叉、開放和共享的學(xué)科運(yùn)行機(jī)制，大力培養(yǎng)綜合交叉科學(xué)研究人才
做好極綜合交叉的科學(xué)研究，需要在哪些方面發(fā)力？
吳凱建議，在硬件方面，要加快重大高端科研儀器的自主研制。科學(xué)研究的跨學(xué)科融合，離不開重大高端科研儀器的創(chuàng)新與突破。重大高端科研儀器的自主研發(fā)和創(chuàng)制本身也是極綜合交叉科學(xué)研究的產(chǎn)物，靠的是從基礎(chǔ)原理、先進(jìn)材料與加工、核心元器件、關(guān)鍵電子技術(shù)到系統(tǒng)集成的全鏈條創(chuàng)新。
目前，我國科研體系仍主要建立在傳統(tǒng)的學(xué)科分類上，師資、人才、資金甚至科研儀器等資源主要圍著單一學(xué)科轉(zhuǎn)，這使得從事交叉學(xué)科的科研人員在科研項(xiàng)目申請、評審環(huán)節(jié)往往遭遇尷尬，影響科研積極性。徐峰建議，要逐步改變我國學(xué)科區(qū)分的現(xiàn)狀，打造一套交叉、開放和共享的學(xué)科運(yùn)行機(jī)制，在項(xiàng)目申報和評審階段，深入推進(jìn)更加精細(xì)化的改革。2020年11月，國家自然科學(xué)基金委員會成立交叉科學(xué)部，負(fù)責(zé)統(tǒng)籌國家自然科學(xué)基金交叉科學(xué)領(lǐng)域整體資助工作，就是一項(xiàng)探索。
此外，還需大力培養(yǎng)綜合交叉科學(xué)研究的人才。鄭會龍介紹，盡管團(tuán)隊(duì)主要從事工程應(yīng)用科學(xué)研究，但在近年招生中，團(tuán)隊(duì)傾向于吸納擁有交叉學(xué)科背景的成員，還會有針對性地發(fā)現(xiàn)并培養(yǎng)優(yōu)秀的交叉科學(xué)研究青年人才。當(dāng)前，許多高校科研院所設(shè)立多學(xué)科交叉融合培養(yǎng)的教學(xué)模式、開辦通識教育課程，旨在加強(qiáng)復(fù)合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)，也取得了一定成效。
自然科學(xué)致力于揭示自然規(guī)律，社會科學(xué)則注重人類社會發(fā)展。吳凱認(rèn)為，極綜合交叉還應(yīng)積極推動自然科學(xué)與社會科學(xué)的“跨界”融合，這兩者之間的極綜合交叉將為提升我國科技與文化創(chuàng)新能力、促進(jìn)人類文明的可持續(xù)與健康發(fā)展貢獻(xiàn)中國智慧與中國力量。（記者 劉詩瑤）
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