工程之夜: 基础科学与工程实践的深度共振

【ZiDongHua 之“自动化学院派”收录关键词： 国际基础科学大会  基础科学  信息科学 信息工程   实验室自动化】

　　

 

　　

　　2025年国际基础科学大会特别活动“信息科学和工程之夜”（Information of Science Engineering Night）聚焦基础研究与工程技术之间的深度协同， 世界顶级科学家与杰出工程实践者同台论道，展示了基础研究在推动航空、生物、人工智能等关键工程领域中的关键作用。

　　

　　信息科学和工程之夜

　　

　　畅谈基础科学与工程实践融合之路

　　

　　大会主席丘成桐院士在开场致辞中指出，现代科技进步日益依赖于数学、系统工程与人工智能之间的深度融合。他认为，信息科学与工程的交叉正在重新定义技术的边界，期待各国科学家们共同推动跨领域合作。

 

　　

　　中国商飞公司副总经理吴文生回顾了过去一年公司与北京雁栖湖应用数学研究院的紧密合作。吴文生先生介绍，在丘成桐院士引领下，来自数学、控制、空气动力学等领域的国际科学家走进大飞机研发一线，围绕智能飞控、结构优化、健康管理等方向展开实质性技术攻关。他表示，未来将进一步支持科研人员在航空减排、智能设计等方向深化探索，携手基础科学界助力中国民机迈向更绿色、更智能的未来。

 

　　

　　探分子，解算法，驭长空，

　　

　　科学如何托起未来工程

　　

　　朱棣文：探寻分子马达中的物理机制

　　

　　基础科学终身成就奖得主、诺贝尔物理学奖得主、斯坦福大学教授朱棣文院士以《How Does Biology Work in a World Dominated by Brownian Motion and Dissipation》为题，深入探讨在布朗运动与耗散主导的微观世界中，生物分子如何发挥精确功能，并从统计物理视角对分子马达“Dynein”的工作机制进行了系统阐述。

　　

　　朱棣文以平实而幽默的语调开场，他提出：“生命是否可以被还原为物理规律？”在这个问题指引下，他重点介绍了分子马达——特别是动力蛋白（Dynein）在神经元中的运动规律，并用实验数据和数学建模尝试揭示其中的非平衡统计物理特性。

　　

　　他指出，在分子尺度下，牛顿力学中的F=ma不再适用，分子运动主要受到粘滞阻力和布朗运动主导。在这种条件下，分子马达如何实现方向性运动？朱棣文介绍了其研究团队通过红外激发的纳米颗粒追踪技术，构建了高时间与空间分辨的光学系统，在不损伤活细胞的前提下，捕捉到Dynein在神经元轴突中运输囊泡的真实轨迹。相关观测揭示了Dynein马达并非机械式地“步进”，而是通过柔性结构实现布朗搜索，形成带有统计波动性的动力过程。

　　

　　他基于新建立的双ATP机制模型，挑战了主流文献中Dynein仅消耗一个ATP的传统认知，并指出这一工作的发表经历了数年的反复论证和审稿过程。该理论不仅解释了运动时间与步长呈平方关系的实验结果，也为马达运动中功率冲程（power stroke）是否真实存在提出了可证伪性判断。

　　

　　朱棣文介绍了“涨落定理”（Fluctuation Theorem）在分析马达运动熵变中的应用，并指出在Dynein系统中观测到的“有效温度”高达真实温度的5.7倍。他强调，这并不意味着细胞内温度升高，而是因为马达的随机力远强于环境热噪声，形成了统计意义上的高“温度”。这一发现为研究非平衡活性系统提供了新的实验平台。

　　

　　在演讲尾声，朱棣文回顾了信息论与热力学的连接，从香农的信息熵出发，讲解了如何将其与玻尔兹曼熵结合，为非平衡统计物理提供新的视角。他还介绍了由朗道尔（Landauer）提出的信息擦除能量下限的实验验证，强调通过分子马达系统，可以在真实的生物环境中测量这些看似抽象的理论。

　　

　　朱棣文院士的演讲展示了现代实验物理技术在解析生物复杂系统中的独特作用，亦验证了基础科学和跨学科合作在未来科学突破中的重要潜力。演讲获得现场众多科学家和工程师的热烈反响。

　　

　　罗伯特·塔扬院士：算法研究的反思与未来路径

　　

　　基础科学终身成就奖得主、图灵奖得主、普林斯顿大学教授罗伯特·塔扬（Robert Tarjan）院士以《Thoughts on Algorithm Research》为题，回顾50年科研生涯算法研究的体会，并对未来计算理论与实践的发展路径进行了深入思考。

　　

　　在演讲伊始，罗伯特·塔扬以空气动力学中的数值模拟为例，引出算法在工程科学中的关键角色。他指出，从传统风洞实验转向数值计算，需要将连续的Navier-Stokes方程离散化，形成复杂的图结构。在这种图结构上进行高效计算，依赖于图划分、局部计算和高效子结构组织等算法技术。他与Dick Lipton合作提出的“平面图分离定理”（Planar Separator Theorem）正是理论成果在实际计算中的典型应用。

　　

　　罗伯特·塔扬指出，计算机科学作为一个年轻学科，在过去几十年中提出了许多优美的高效算法和数据结构。但由于早期问题丰富且挑战性明显，研究者往往满足于“可接受”的首个解决方案。他强调，随着计算资源的增长和多核架构的普及，算法研究需要系统性地探索更广阔的设计空间，不能轻易止步于现有结果。

　　

　　在谈及理论与实践的关系时，罗伯特·塔扬强调，理论研究不应止步于形式推演，而应力求在现实世界中具备实际效能。他指出，虽然自己长期从事理论研究，但始终关注算法在工程系统中的可用性与实际表现。他认为，最常用的算法效率评估方式是关注最坏情况下的运行时间，尽管这种方式忽略了常数因子，但有助于保持分析的普适性与简洁性。罗伯特·塔扬批评部分研究中对复杂性的过度强调，可能牺牲了算法的实际可用性。他主张在可行的前提下追求算法设计的“简单性”，哪怕其证明过程复杂。

　　

　　在并发算法方面，罗伯特·塔扬认为简单性更为关键。他指出，当前大规模并行计算（如大型语言模型训练）中并发性至关重要，而复杂的并发算法常常难以验证正确性。因此，算法的设计必须尽量清晰明了，避免因复杂性带来不必要的漏洞。

　　

　　谈及科研方法，罗伯特·塔扬鼓励研究者在面对问题时要双向思考，既要尝试构造证明，也要积极寻找反例，理解问题本质。他特别强调提出好问题的重要性，“正确的问题比解决问题本身更具价值”。他提醒年轻学者，应保持怀疑精神，审慎阅读文献，独立验证已有结果。

　　

　　演讲结尾，罗伯特·塔扬对“计算机科学究竟是什么”这一哲学性问题做出回应。他认为，计算机科学兼具科学性、数学性和工程性，不应拘泥于某一单一定义。他引用Donald Knuth和Robert Sedgewick的观点，将编程视为一种艺术，也是一种基于严谨推理与实证方法的科学实践。

　　

　　他强调算法设计应面向实际问题、追求结构简洁的观点引发共鸣，也进一步印证了信息科学与工程之夜倡导的让基础理论为工程创新赋能的核心理念。现场不少听众频频点头，认真记录。

　　

　　吴光辉院士：基础科学托起大飞机工程之美

　　

　　中国工程院院士、中国商飞首席科学家吴光辉院士，带来了题为《大飞机工程之美》的精彩演讲，深度剖析基础科学如何在大型商用飞机研发中的关键作用，并分享了C919大飞机工程中基础科学与工程实践深度融合的最新进展。

　　

　　吴光辉指出，百年航空史实质上是一部基础科学的实践史。从协和飞机的超音速飞行，到C919的首飞，科学与工程的融合持续推动着航空技术的发展。他强调：“我们没靠奇迹，靠的是把公式算准、把技术吃透、把系统调顺。”

　　

　　在C919研发过程中，气动设计依赖大量CFD计算分析，配合风洞实验进行优化。“当超临界翼型的曲线在计算机屏幕上成型时，那些由偏微分方程生成的流线，就像被数学驯服的风。”吴光辉用这一形象比喻，说明基础数学在飞行器气动设计中的作用。他指出这不仅是技术手段，更是工程师与自然规律之间的深度对话。

　　

　　材料科学的进步也为大飞机发展提供关键支持。以铝锂合金为例，材料科学家通过对合金结晶过程的微观控制，实现了结构优化与减重目标。“材料科学从来不是碰运气，而是读懂原子的语言，读懂科学的语言。”

　　

　　吴光辉还重点介绍了当前正在推进的智能化设计工作。在AI辅助飞行器设计方面，中国商飞与雁栖湖应用数学研究院合作，开发出“东方·御风”“东方·翼风”等AI流场仿真模型，并启动三维翼身组合体设计智能体的研发。这些技术可有效提升设计效率，并释放工程人员在核心技术创新上的精力。

　　

　　谈及未来，吴光辉表示，科研团队正持续积累针对零碳飞行的基础科学储备，包括更安全的储能方式、氢燃料电池效率优化和立体城市交通的基础布局等。他强调：“每一步都在接近目标。”

　　

　　他认为，大飞机事业从来不是一蹴而就，而是“把长远目标拆成一个个当下的科学问题，用时间和耐心去解答”。作为首位拥有飞行资质的院士设计师，他在驾驶舱中透过舷窗看云层，更加深刻体会到“大飞机不是‘造出来的奇迹’，而是‘算出来的必然’”。

　　

　　吴光辉的演讲在听众中引发广泛共鸣，让人们体会到大飞机工程背后融合的科研体系与跨界协作精神。

　　

　　青年科学家“前沿科学奖”得主

　　

　　分享跨学科探索心得

　　

　　在“前沿科学奖”获奖者感言环节，三位青年科学家围绕其各自研究中的科学突破与工程应用展开深入分享。

　　

　　香港理工大学副教授刘洋在发言中表示，其团队围绕联邦学习范式展开研究，致力于构建一种支持隐私保护和效率优化的分布式人工智能模型。他提到，在深圳某科技企业工作期间，团队发现多个行业和公司间存在数据孤岛，这一挑战推动他们探索适用于实际场景的联邦学习框架。刘洋指出，早期论文曾因缺乏基准和方法新颖而屡遭顶会拒稿，随后通过与隐私计算、激励机制等不同方向专家合作，并结合金融、医疗等行业的工程实践，逐步完善理论体系和方法设计。他强调，快速演化的AI技术更强调学习能力和跨领域协作能力。

　　

　　奥地利维也纳工业大学首席科学家德米特里·波利什金（Dmitry K. Polyushkin）介绍了其团队研发的一种具备图像实时处理能力的可编程光电神经网络。他们利用新型半导体材料设计了一种能够在成像过程中进行分类、去噪等操作的光电传感器阵列，实现了每秒两千万次运算的处理速度。该项目整合了材料科学、光电技术与机器学习技术，目标是在图像处理芯片中实现本地智能，减少数据传输负担。他强调，这一成果的取得依赖于来自多个学科领域的合作与长期投入。

　　

　　英国思克莱德大学副教授雷纳·塞巴斯蒂安·斯普里克（Reiner Sebastian Sprick）则聚焦化学研究中的实验自动化。他指出，相较于生物领域的研究工具发展，化学研究仍较多依赖传统实验方式。他所在团队开发了一种可在实验室中自由移动的机器人系统，能够自主操作标准化仪器进行实验。该系统的灵活性和成本控制使其适用于材料化学中的高通量筛选和多变量问题求解。他强调，该研究项目融合了化学、自动化、AI和计算机科学多个领域的知识体系，通过团队协作推进实验方式的变革。

　　

　　他们的呈现了当前前沿科学在材料智能、AI基础研究和实验自动化等方向的探索路径和方向，印证了基础科学方法在复杂系统设计和技术实现中的重要作用。

　　

　　圆桌论坛：基础科学如何成为创新的关键推力

　　

　　本场圆桌论坛延续了基础科学与工程实践之间的对话。论坛以“基础科学如何成为创新的关键推力”为核心议题，由中国商飞北京民用飞机技术研究中心主任钱仲焱主持，邀请朱棣文院士、罗伯特·塔扬院士和吴光辉院士三位嘉宾共同参与。

　　

　　论坛首个问题聚焦“工程是否必须等待科学充分发展”。朱棣文院士明确表示：“不需要等待。”他指出，在材料科学等领域，工程实践常常先于科学理论，工程师在解决复杂问题的过程中发现新现象，随后科学研究再进行理论解释。

　　

　　关于基础科学与工程需求之间的互动关系，塔扬院士认为两者存在双向构成的动态机制。他以自适应搜索树为例指出，该结构虽起源于理论设计，但已广泛投入实际使用。这类理论算法通过工程验证，最终被采纳为高效工具。

　　

　　当被问及“在当前大飞机设计中最希望基础科学在哪个方向取得突破”时，吴光辉院士提及结构安全、气动设计及变后掠翼技术。他强调数学对空气动力学仿真和翼型优化的支持作用，并介绍了数百位科研人员围绕上万个翼型截面进行设计计算与风洞试验的过程。他指出，工程中无法完全实现理想的流线连续性，因此需要在实际可行性与理论最优之间做出取舍。

　　

　　话题继续延伸至空气动力学设计细节。朱棣文询问为何飞机尾翼的小翼设计花费几十年才普及。吴光辉解释，在工程实践中存在观念分歧和技术验证周期，部分厂商早期并未意识到小翼对减阻的作用，直到实测数据显示其对油耗和飞行性能存在显著影响，才被逐步采纳。他介绍了中国商飞对小翼设计的研究，并指出不同飞机的配置选择差异。

　　

　　论坛中，钱仲焱还向朱棣文院士提问：“跨学科团队中，什么样的协作最关键？”朱棣文认为，“科学家与工程师必须真正一同工作，而不是分工完成”。他指出，大型科学装置如加速器、探测器的研发过程中，大量时间投入在工程问题的解决上，因此科学研究往往依赖扎实的工程支撑。

　　

　　在“工程进展面临紧迫需求时，如何在实用方案与科学探索之间权衡”这一问题上，塔扬以自己在工业研究机构的经历为例指出，工业研究需要聚焦产品中的痛点问题。当前越来越多公司将研究人员嵌入产品团队，以实现更高效的知识转化。

　　

　　关于“如何缩小理论飞行与工程实现之间的差距”问题，吴光辉指出，大飞机的结构设计、材料开发和气动优化都高度依赖基础科学。他提出“飞机设计带动材料开发”的观点，即材料研发需围绕具体飞机项目进行，以满足设计精度和可靠性需求。

　　

　　现场观众亦参与提问。一位观众就著名的P=NP问题向塔扬院士请教。塔扬简要回顾了该问题的历史背景，并表示大多数学者认为P≠NP，但该问题尚无定论。

　　

　　另一位观众则关注低空经济与绿色航空技术。吴光辉回应指出，未来飞机设计将融合AI、绿色能源与新型导航技术。他强调现代大型客机是跨学科高度集成的产物，工程系统已远非百年前所能比拟。

　　

　　关于AI的未来发展及风险问题，朱棣文指出，当前AI主要通过数据拟合与插值完成任务，尚未具备转化抽象概念的能力。他强调，未来的AI是否能具备创造性思维仍不确定。他同时提醒，过度依赖AI可能导致人的思维退化。塔扬则认为，AI系统缺乏主动探索和道德判断。他指出人类儿童天生具有好奇心与自主性，而当前AI尚不具备类似行为机制，因此仍缺少“自然智能”的核心要素。

　　

　　主持人钱仲焱总结：基础科学与工程技术之间的关系正日趋紧密。科学不是工程的注脚，而是其动力源；工程不只是应用科学的工具，它也提出科学尚未解答的问题。

　　

　　无人机点亮信息科学和工程之夜

　　

　　由中国商飞北研中心梦幻工作室设计的室内浮空器令许多嘉宾眼前一亮。该浮空器利用了氦气的浮力与精密的旋翼控制系统，减少了传统旋翼无人机的噪音问题并且延长了续航时间，生动展现了基础科学在材料、流体力学与智能控制等领域交叉融合所催生的突破性成果。

　　

　　夜色降临，长城脚下、雁栖湖畔的夜空中，上演了一场融合科技与艺术的无人机灯光表演，为整晚内容丰富、思想深刻的学术交流活动划上技术与艺术融合的句号。

　　

　　夜幕下，数百架无人机自控起飞，在高空编队变幻，绽放出精妙绝伦的图案。点点星光先后汇聚成巨大的“ICBS”会标、北京雁栖湖应用数学研究院标志，以及怀柔、北京、中国的英文字样，一架架无人机犹如一片片在空中缓缓舒展的信息之叶，象征着基础科学与工程技术交融生长的无限潜力。整个表演过程持续十余分钟，与会嘉宾和观众们驻足仰望，掌声此起彼伏，人们纷纷拿起手机记录下这场科技与艺术共舞的“星空画卷”。

　　

　　正如丘成桐先生在致辞中所言：“信息科学与工程的融合，正在重新定义我们的未来。”无人机表演不仅展现了飞行控制与群体智能算法的技术融合，也让信息科学和工程之美具象而震撼，彰显了基础科学与工程创新融合发展的蓬勃生机。