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鹰击长空,鱼翔浅底丨范迪夏带着他的“大玩具”来了
走进实验室
张弛 工学院 2022年05月18日
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2022年初夏的某一天,西湖大学工学院办公室收到了一条微信:

“崔维成老师七楼实验室的小水池放了水,我们中午之前可以去感受一下斑海豹胡须模型的特点……”

留言的是刚来不久的PI范迪夏。大家争先恐后在水池中玩着的“玩具”,就是他根据真实的斑海豹胡须建模做成的。



斑海豹的胡须呈波纹型,利用这种特殊的结构,它可以感知水纹非常细微的波动,进而追踪捕食。这背后其实蕴含着涡激振动这一流体力学的基础问题。

上海交大本科毕业,到麻省理工学院读博;从加拿大皇后大学助理教授,再到入职西湖大学,建立流体智能与信息化实验室(i4 – FSI Laboratory),范迪夏一直致力于流体力学的研究。

“我们可以像鱼儿一样在水中自如穿梭吗?可以像鸟一样在天空自由翱翔吗……”这是西湖“大男孩”范迪夏的梦想世界。在他在个人主页上,他留言说:在西湖,我们都是玩着改变世界的大玩具的大孩子。



发现自己:从“叛逆少年”到“热血动物”

那一年,在同一条河里待了20年的一只小鱼,第一次决定只身游进大海。


2010年,正在上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院读大三的范迪夏,决定按下“暂停键”——休学一年,出去走走。

那一年,范迪夏的足迹遍布了祖国的大江南北:去武汉船厂实习三个月,和一线工人们一起工作,凭借双手解决自己的温饱;去贵州、云南等偏远地区支教,因为孩子们单纯而渴求知识的眼神而感动。沿路搭过货车、住过青年旅舍、甚至留起了一头长发……这一年的“修行”,让从小在上海长大的他,第一次走出象牙塔,触碰到了社会最真实和鲜活的沟壑与棱角。

2011年,范迪夏重回上海交通大学。褪去了曾经的稚嫩与焦躁,他“玩”上了科研实验室里的“大玩具”。

在交大的海洋工程国家重点实验室,范迪夏跟随付世晓老师,真正意义上开始接触大型“国之重器”的实验,渐渐找到了自己的兴趣点——流致振动。

什么是流致振动?水流过或者风吹过物体时,会引发振动,比如风吹电线呜呜作响,这些现象被称之为流致振动,如涡激振动就是其中一种——即流体在一定流速下经过物体,会在物体表面产生交替的漩涡,这些漩涡会产生上下吸力进而引发振动。

包括涡激振动在内的流致振动会对物体结构的稳定和安全性带来一些影响,比如2020年广东省虎门大桥发生的抖动就属于流致振动之一。

但它引发的不仅仅只有破坏。事实上,自然界很多动物的运动是基于流体与结构的相互作用,例如水里的鱼儿游动觅食,空中的鸟儿振翅飞翔。它还可以拓展到心血管中的流体力学、漩涡流体、环境流体等与人类生存息息相关的问题。

科学界对流致振动的研究已持续六十多年,经久不衰。其难点在于其中的变量太多、太复杂。“可以说至今没有一个准确的公式可以套用。”范迪夏说。


范迪夏在交大创办了智能运载器俱乐部,玩“飞鱼号”无人水下运载器,“阳光”六足机器人,智能全绿色能源无力多体帆船 “追梦”号……毕业那年,俱乐部被选为了“学生科技创新工作室重点创建单位”。


手脑并用:爱折腾的他再次跳出“舒适圈”

那些年,他和更多的朋友们一起徜徉大海,像鱼一样去感知世界。


2013年,范迪夏被麻省理工学院(MIT)机械工程系全奖录取。在申请MIT时,范迪夏突出的动手和思考能力,使他在众多竞争者中脱颖而出。他明晰且坚定的目标打动了评委:认准“涡激振动”,要在博士阶段努力进行更深入的理解、探索和研究。



博士期间的范迪夏与课题组成员


犹如儿时我们总被大人批评的“异想开天”,这位西湖“大孩子”想更有效地感知与控制漩涡流体与结构的相互作用,从而研发一种“既能飞又能游”的多栖机器人。

“想象一下,无人机进行海上搜寻任务时,如果发现海上有目标存在,可以直接进入海底探索,不需要转换使用海底机器人;水下机器人在水下作业巡逻发现了水体污染,可以生出一双翅膀飞上蓝天,判断这片水域的污染范围……”

说到激动时的范迪夏,两眼闪闪发光。但要实现这个目标,显然将面临极大的挑战。

比如,结构设计的多目标性。在空中飞翔和在水里潜游所需要动力是不一样的,防水与防风也要兼得,如何在一个物体上实现多功能?范迪夏尝试从水空两栖的鸟类中获取灵感。

再如,控制系统的非线性。这样的机器人需要有“智慧的大脑”来指挥,范迪夏瞄准了人工智能。

还有,他需要一些特殊的新材料鸟儿来回震荡扑打翅膀,鱼儿摆尾游动,必须找到新型材料以适应不同的使用环境,这也是范迪夏一直在做的事情。

事实上,在MIT学习时,范迪夏就发现单纯专注于流体力学研究的局限性。他尝试跳出舒适圈:校内,他学习非本专业课程;校外,他连续两年冬天前往新加坡学习,探寻水、资源、环境方面的研究热点;博士毕业后,他又去了布朗大学、华盛顿大学的应用数学系,和那里的老师探讨一些解决问题的新思路、新方法。

通过结合高斯回归算法、强化学习等人工智能方法,范迪夏和小伙伴们将原本需要做一两年的事情缩短到两至三周,这让他们兴奋不已。他们相信,如果能够将人工智能和流体力学进行跨学科结合,提升研究流体力学内的非线性、多尺度性质问题的效率,一定会碰撞出许多美妙的火花。

共同成长:从 “学科交叉”到“改变世界”

现在,他想:“我们是不是可以把自己变成一条鱼,真正意义上像鱼一样看世界?”



今年2月,范迪夏正式入职西湖大学。初来乍到的他一点“不见外”。加入西湖大学两个多月的时间里,他已经到过工学院的很多实验室里“串门”。

拜访过崔维成实验室交流水下装置设计,到过姜汉卿实验室了解折纸与材料的关系,去过朱博文实验室探讨柔性电子材料……

事实上,对于这个热爱从学科交叉中汲取灵感的大男孩来说,“跨界”已然成为他的生活方式。

此前,他组织的跨学科读书会,从一个MIT内部组会,发展成为一个上千人注册、每周有上百人在线聆听的“智能与仿生力学讲座系列(IBiM Seminar Series)”;他合办的知识分享平台Synking,以播客的形式进行跨领域交流采访,将人文艺术、科技创新与商业领域的人聚合起来,深度了解世界的不同。

范迪夏在自己实验室名称前加上了“i的四次方(Intelligent, Informational, Integrative and Interdisciplinary)”,代表着智能化、信息化、整合化和多学科化的流固耦合

未来,他希望着眼于人工智能和流体力学的跨学科交叉,更多地探索其机理和方法论;也希望能够以空海两栖机器人为主题,发展人工智能在流体力学的漩涡控制和感知方面的新方法和新理论。

范迪夏说,一个人的力量是有限的,但当所有人的力量汇聚到一起,或许真的可以改变世界。

多年以后,也许我们可以在西湖大学的环形水系上,看见一个空海两栖机器人正在展翅翱翔,俯瞰美丽的校园……