探索在DNA納米技術下的信息世界——記華中科技大學控制科學與工程系導師陳智華

本刊記者　李　裕

探索在DNA納米技術下的信息世界——記華中科技大學控制科學與工程系導師陳智華

本刊記者李裕

專家簡介：

陳智華，系統分析與集成專業理學博士，目前在華中科技大學控制科學與工程系從事教學研究工作，主要研究方向為納米微型計算、智能算法、控制系統建模與仿真和計算機控管一體化。作為第一作者或者通訊作者，發表9篇SCI文章，5篇會議文章。獲得武漢市科技進步獎二等獎一次，湖北省科技進步獎三等獎一次。

納米技術，可以讓宏觀世界“濃縮”進一粒粒人類肉眼看不到的“塵?！敝?，重生出一個“海納百川”的微觀世界。當幾年前英特爾將14納米制造工藝鑲嵌進平板電腦、智能手機中的芯片上時，電子設備的性能便開始有了更高一層質的飛躍。速度更快、能耗更低、更綠色環保的系列電子產品成為現代文明的一分子，改變著人們當今的生活。

曾有科學家預言：未來世界不是電子世界，而是納米世界。在陳智華的眼中，納米技術神奇而又魔幻，五彩斑斕的大世界信息都可以在它的集成管理之下互通有無、快速傳遞。從電子信息系統的建模與控制，到納米微型計算與技術應用，她一路穩健前行。

夯實基礎 不斷前行

早在上個世紀九十年代末，陳智華考入華中科技大學，主修工業自動化專業，畢業那年拿到工科與法學雙學位。做為一個有名的“學霸”，她又進入控制科學與工程系攻讀碩士學位，走上了計算機控管一體化的研究之路。

為把書本上的知識應用于實踐，碩士期間她跟隨導師積極展開了一系列實踐研究，漸漸顯露出極高的科研天分。研二時，她趕赴下會坑水電站，與團隊成員一起開發集成檢測和控制為一體的水電站自動控制系統，在集成管控及狀態檢測方面積累了重要經驗。最終，實現了水電站機組各個設備的安全檢測和自動控制，大大節省了人力；用InTouch完成了水電站集散控制系統的G U I界面，極大地提高了水電站設備的自動化控制水平。

在北京西城區現代教育技術與培訓中心信息安全實驗室，陳智華擔任信息安全技術和網絡技術研究員。在此期間，她對信息安全有了深入了解。她著重進行了防火墻產品性能及功能的測試評估試驗；查找操作系統（Windows 2000，Redhat7.3）漏洞和補丁并進行歸納；劃分實現了操作系統的安全等級標準；為實驗室網絡管理及軟件配置提供了技術支持，同時為普及信息安全知識，她為西城區中小學教師做信息安全技術培訓等。一系列科研實踐與教學體驗，奠定了她今后的科教之路。

為尋求更高層次的發展，陳智華又在母校攻讀了系統分析與集成研究方向的博士學位。歷經博士期間的學術鍛煉之后，她建立了更縝密的學術思維、打下了更深厚的科研根基、培養了更開闊的科研視野……

聚焦DNA納米信息集成

近年來納米技術在系統集成與信息分析方面的廣泛應用，讓陳智華敏銳地察覺到了納米信息處理技術廣闊的科研空間。

于是，她的科研課題開始涉及到DNA納米計算、DNA自組裝等方向。近年來隨著生物控制系統及復雜納米機器人的構建需求日益旺盛，對標準信息處理技術的要求也逐漸嚴苛。而現有基于DNA納米技術的各種功能單元雖然已經實現了簡單計算、移動等功能，但因其信息編碼規則、交互協議和數據輸入輸出方式的相異，還是無法滿足未來納米產業化的發展需求。

為解決現有納米技術應用于通信領域的難題，在“基于DNA自組裝的通用納米信息處理系統的研究”中，陳智華決定對納米技術的各功能單元進行封裝，構建能夠實現交互功能的基元，從而構建可重用基元的通用納米信息處理系統。

為實現這一目標，她基于先前研究成果，聯合在DNA分子可控模型方向擁有豐富科研經驗的石曉龍老師等實驗室其他成員，利用本校分子生物計算這一國家重點實驗室先進設備，對DNA納米技術各功能單元進行識別、輸入、計算、輸出等，建立基元數據庫，并設計各基元間規范化的通信接口，組合配置DNA傳感器，確保了基元間交互的完整性、容錯性及有效性。且各功能基元通過靈活組合配置，可以構成新系統，為建立標準信息處理系統提供了理論及實踐上的可能。

經過兩年多的不懈努力，研究取得了很大進展。她和團隊成員一起設計實現了三種可重用的單鏈DNA模塊，構建了可靈活調控直徑大小的DNA納米管；融合DNA鏈置換和納米金，用比色變化的方式可以快速檢測DNA信號，甚至包括傳統技術檢測不到的低濃度信號，確保了信息的真實性；從反應時間、反應物的比例和離子濃度的維度上對DNA鏈置換反應中的泄露反應進行反復評估，構建了置換反應的各個條件和結果之間的動態模型；利用DNA鏈置換技術模擬神經元的運動行為，建立了更正確可行的脈沖神經系統；為實現科研成果的產業化，她及小組成員們把膜算法等一系列生物計算方法應用到工程中，延長了產品使用壽命的同時，還提高了產品的良品率。

圍繞這一課題，她及項目組成員們目前已經發表了SCI論文10多篇，申請發明專利6項，給通信領域的納米技術研究帶來了諸多新的科研視角。

快樂躬耕 篤行致遠

在樹木蔥蘢、碧草如茵，號稱“森林式大學”的華科大，陳智華已歷經這個美麗校園十余年的春秋洗禮，從一名勤奮好學的優秀學子成長為了在系統分析與集成領域能夠獨擋一面的科研學者及教育精英，她認真努力、勇于攀登，為母校增添著榮譽，為后輩指引著方向。

近二十年來，她積極主持參與了多項重量級項目課題研究。主持激光軟釬焊建模與控制和設備校準系統開發等產學研項目的同時，在現有科研領域深入挖掘，主持了基于DNA計算自組裝架構入侵檢測系統、基于DNA自組裝的傳感器及集成計算系統、基于DNA計算的密碼破譯、通用納米信息處理系統等多項省部及國家級基金項目。并積極參與NP-完全問題DNA計算、大數分解DNA計算機等國家863項目及無軸傳動印刷機自動控制系統這一民用項目進行技術開發。

不斷探索之下，她也取得了豐碩成果。在DNA納米微型計算、智能算法、控制系統建模與仿真和計算機控管一體化方面均有獨到見解的同時，迄今為止，她已經申請了9項發明專利、發表了9篇高影響因子的SCI文章，獲得武漢市科技進步獎二等獎、湖北省科技進步獎三等獎等諸多榮譽獎勵。

她，是一位科研工作者，同時也是一位教育工作者。自擔任教學工作以來，陳智華便積極投入到《自控原理》《信號分析》和《信息安全》的課堂教學中，為初入大學校園及科研領域的學生們授業解惑、指點迷津。她的敬業投入、認真仔細、風趣幽默，獲得了學生的廣泛好評。這么多年來，她的課堂評分都在90分以上，曾拿到過華科大教學競賽二等獎。她把自己多年來的教學經驗進行總結，在《工業和信息化教育》期刊上發表“非信息安全專業的《信息安全》課程改革探索與實踐”一文，為教改工作獻計獻策。

荀子曰：不積硅步無以至千里，不積小流無以成江海。十余年科教工作的認真對待，方成就如今的芬芳碩果。陳智華在學習及科研的道路上，不斷探索、不斷積累，一步步形成了獨屬于自己的別樣風采。