棲身科學 無悔跨界

謝更好

已過花甲之年的姚文娟，臉上絲毫不顯歲月蝕刻的痕跡。接受采訪的這天，她如往常一樣，挽著整潔的發髻，穿著簡潔的白襯衫，只在領口簡單地系了條綠色絲巾，就讓整個人精致了起來。

這位上海大學力學與工程科學學院、上海市應用數學和力學研究所教授、博士生導師，有著江南女子般的柔美、婉約，而她半生的經歷卻透露出骨子里的果敢、堅毅：從重慶到江蘇，從江西到上海;從結構工程到流體力學，從固體力學到生物力學……半生求索，半生跨界，每一次轉折卻都不是因為命運被迫隨波逐流，而是姚文娟自己做出的篤定選擇。尋常人甚至很難定義姚文娟的研究究竟屬于哪一個領域，但毫無疑問的是，她是一個真正的被理想所驅動的人，一個身心都棲息于科學世界的人。

追尋

沖破舒適區屏障

姚文娟是恢復高考后的首屆大學生，是高中畢業后由城市到農村插隊的知青。那時，這個從農村走出的女娃娃憑著一股不服輸的勁頭，考入了重慶大學結構工程專業。大學畢業時，她已經25歲了。畢業后，她按照大多數人的成長軌跡，循規蹈矩地參加工作、成了家。1982年元月，她回到老家，被分配到江西省交通設計院，從事公路及水運交通、房屋建筑方面的結構工程設計科研工作。在這里，一貫優秀的她，在設計院繼續綻放著光芒：她先后主持國家重大工程項目及省部級大型重點工程項目3項，還主持了1988年單項投資達到3.8億元的國家重大工程——信江航運工程界牌樞紐項目。在設計院工作的10年間，姚文娟逐漸成為中流砥柱，前途一片光明。

然而就在生活的坦途鋪展在姚文娟的腳下時，一眼望得到頭的順遂卻讓她不安起來。“我心里其實一直有個讀研究生的夢。”

年近而立，家庭美滿，事業節節攀升——圍城之內的姚文娟不停叩問自己：人生就僅此而已了嗎？孩子出生后，姚文娟決定勇敢直面自己內心的聲音，走出圍城，去追逐讀研的夢想。“單位一直不放我走，他們說‘你的水平不用讀研究生。”素來有決斷的姚文娟決定和單位脫離關系，不拿一分錢工資去考研。最后，靠著教育部提供的獎學金，姚文娟再次邁進大學校園，來到河海大學，攻讀當時全國排名第一的水利學和河流動力學專業，打下了扎實的流體力學基礎。

回歸學術殿堂的姚文娟一發不可收，隨后，她又考入上海市應用數學和力學研究所，攻讀固體力學專業博士學位。“來到上海那年我已經40歲了。對我來講，我拋棄了原來設計院的工作，拋棄了在工程領域已有積淀的發展路線，完全從頭開始從事理論研究。”就算是在熟悉姚文娟的親朋好友的眼里，她的許多選擇都是不被理解的，但她卻始終清楚自己追尋的是什么。在實現科學夢想的道路上，她沖破重重屏障，心底的熱愛讓生活越發熱烈滾燙起來。

1998年，姚文娟通過人才引進，進入上海大學土木工程系從事教學及科研工作，從此正式開始了她用理論指導實踐的生涯。

饋贈

積跬步以至千里

來到上海大學后，姚文娟便逐漸走上了交叉學科發展的道路。上海國際航運中心洋山深水港四期工程就是這樣一個讓她充分發揮交叉學科背景優勢的項目。

在現代社會，隨著資源的短缺，建筑物開始向深海發展，洋山深水港就是一個探索利用深海資源的嘗試，也是備受國內外關注的重大工程。這樣一個風大浪急、水深軟基的超大深海工程，其基礎超長高樁的設計和建造都無先例。

“它的樁側摩阻力和我們通常樁是完全不同的，在波浪循環荷載的作用下，土體強度會產生軟化，而且碼頭有大量堆貨，會產生很多負摩阻力。以往我們靠正摩阻力提供承載力，這時如果不考慮負摩阻力就會有很大的安全隱患，因此研發了負摩阻力計算理論。”姚文娟所說的就是她主持開展的“沿海惡劣環境下的超大海工結構基礎超長高樁的理論體系和計算設計方法”。

在研究中，針對超大型海工基礎超長樁樁側土體摩阻力上部軟化、深部強化的實測發現，姚文娟團隊提出了吻合實際工況的最新的上部軟化的荷載傳遞及深部強化的荷載傳遞模型。除此之外，他們還自編了相應的計算程序，解決了通用軟件無法考慮基礎周圍土體軟強化的計算問題。通過和實測數據對比，他們提出的模型計算結果相對以往的方法，更吻合實際工程，其計算精度提高了20%。

考慮港口工程中大量堆貨工況導致樁側負摩阻力增大的特點，姚文娟推導得到堆載作用下超長樁與土體的位移及應力的矩陣表達式，提出并研發出系統的理論計算方法及適用于非線性大變形分析的數值軟件，解決了深厚飽和軟黏土地基下深海港工基礎超長樁缺乏理論支撐及計算方法的瓶頸問題。上述成果發表在土木工程國際期刊《國際地質力學雜志》（International?Journal?of?Geomechanics-ASCE，封面文章），同時她還公開發表系統完整的專著以及大量有影響力的論文。

姚文娟還開發出在役工況下深厚飽和軟黏土超大海工基礎超長群樁動力響應分析模型，結果與現場測試高度吻合，其論文發表在土木工程國際期刊《海洋工程》（Ocean?Engineering）及中國科學院TOP期刊《應用數學建模》（Applied?Mathematical?Modelling）上，解決了精準有效地計算分析實際工程中超大海工基礎與周圍土體在反復的循環荷載作用下的動力行為難題。

現在，洋山深水港四期工程運行已有十幾年時間，經姚文娟團隊參與的設計方案通過了時間的考驗。這其中最讓她欣慰的是，自己的理論研究能夠在這樣重大的對外貿易工程中發揮作用，兜兜轉轉，當年從工程實踐轉向理論研究，如今她又用自己的理論反哺了工程。這份驚喜是命運給予奮力拼搏的人的最好饋贈。

跨界

開拓疆域的氣魄

在上海大學任職期間，姚文娟發揮所長，參與了不少重大工程的建設，包括很多享譽國內外的上海超高層建筑及東海大橋項目等。其中她主持國家自然科學基金項目、國防重大科研課題、國家“十五”科技攻關重大項目子課題，上海市航運攻關課題，以及應用研究課題等共26項。2000年以后她發表學術論文200余篇，《科學引文索引》（SCI）收錄100余篇;主撰及主編出版專著4部;發明專利及軟件著作權20項。由她承擔子課題的國家“十五”科技重大攻關課題“生態用水計算關鍵技術研究”獲國家科技進步獎二等獎，主編的《土木工程概論》2022年獲全國優秀教材獎二等獎。

已經在結構工程領域取得如此多成果的姚文娟沒有想到，一次偶然的機會讓她的研究方向再次轉向，使她踏入了生物結構的研究天地。

2007年，一位在復旦大學中山醫院五官科做研究的朋友，向姚文娟提起了自己的困惑。“當時他正在研究耳蝸結構，他感覺單純運用醫學知識很難取得研究上的突破。他說的問題正是和力學相關的，力學是物理的一個大分支，我覺得生命科學里面有很多問題就是和力學相關的，而我就是學力學的。”姚文娟一語道破了朋友遇到的難題——聲波激勵下的動力學問題。也正是這次談話促使姚文娟再次下定決心，涉足生物結構領域的研究，開拓自己的科研疆界。

此時，已是團隊領頭人的姚文娟想轉換研究方向并不是一件容易的事。“有的學生不愿意做生物結構研究，只想做土木工程研究。”即便困難重重，姚文娟卻依舊如年輕時一樣，一旦決定了航向便堅定地前行。這時，她遇到了自己在科研上的同仁——梁俊毅和學生馬劍威。

梁俊毅本碩博均畢業于南京大學物理系，當時南京大學的物理專業在全國排名第一，梁俊毅在那里打下了扎實的基礎。他的研究方向是生物物理，這正是姚文娟當時急需的，他倆一拍即合。馬劍威是姚文娟的碩-博學生，他從碩士的土木專業轉向博士的生物力學領域。他們開始了對耳蝸主動感音機制等的相關研究。

闖關

挑戰“無聲”難題

這是一項具有重要現實意義的研究。

耳聾是一種常見的人類感覺系統障礙性疾病，全球有3.6億人患耳聾疾病，中國患者高達2780萬，且逐年顯著增長，耳聾嚴重威脅著人類的健康和生活。然而聽力重建和修復卻一直是人類懸而未決的問題。

為了吃透這項研究，姚文娟對這一疾病進行了深入的了解。據她介紹，耳聾主要分為感音神經性、傳導性和混合性三類，而這其中感音神經性耳聾占到絕大部分，且65歲人群的患病率高達50%。感音神經性耳聾源于耳蝸、前庭蝸神經或中樞聽覺系統的異常，其中尤以耳蝸的感音病變為主。這是一種迄今無法治愈的疾病，傳統治療多采用輔助式助聽設備和手術植入式人工耳蝸，只能部分改善患者的聽力和言語交流能力，并未實現人耳聽覺功能的自主修復。

此前，姚文娟的朋友正是因為對內耳感音機理的研究多基于單純的醫學或生物學方法，對內耳感音機制中涉及的流-固-電多物理場耦合行為特征認識不夠，導致研究陷入了瓶頸。因此，她認為必須從機理分析入手，以多學科交叉的思維，基于生物力學、生物電學和醫學的原理，從宏觀到微觀不同的視角，構建全新的耳蝸模型，探索耳蝸感音機制中的關鍵結構——基底膜、蓋膜及毛細胞在電生理環境下與淋巴液的流-固-電多物理場耦合作用行為特征，從而認知耳蝸的主動感音機理，從根本上解決目前耳蝸臨床醫學上所面臨的問題。

在研究過程中，姚文娟課題組基于數學物理及生物學等多學科理論，巧妙地利用張量映射方法，推導出空間螺旋耳蝸中淋巴液與基底膜的流-固耦合運動控制方程，建立了吻合真實人體的空間螺旋形體耳蝸宏觀結構的力學理論解析模型和數值模型。基于理論解析和數值分析，他們驚喜地發現，耳蝸宏觀支撐結構基底膜在低頻下存在一種新的運動模式——駐波振動（迄今為止未見報道）。這一發現突破了諾貝爾獲獎者蓋歐爾格·馮·貝凱希于1960年通過實驗提出基底膜的行波運動理論的局限性，由此詮釋了低頻感音機制和行波理論不能解釋的許多近代實驗現象。

對于姚文娟來說，這是一場奇幻的科研旅行。每當她在研究中發現不可思議的現象時，就會向梁俊毅發出研討“信號”。“他也做實驗，不像我們只知道理論，他常常從實驗的角度來幫我分析，對我的啟發很大。”當時，針對一系列新的發現，姚文娟撰寫了論文，還特意邀請梁俊毅幫她寫摘要，并對文章進行修改。他們將這一研究成果投稿于《自然·通訊》（Nature?Communications），并通過了嚴格的初審和外審，在外審修回后編輯部肯定了他們的新發現是一個重大突破，但是指出論文尚缺乏實驗數據支撐。

實驗——這是姚文娟自跨學科以來碰到的一大難題。

從事理論研究的姚文娟需要找到一家可以合作實驗的單位。她本來想等到實驗結果出來，依舊投稿《自然》（Nature）雜志，因此，她把論文保存起來，一直未投稿，但沒想到這一等就是許多年。梁俊毅也在這期間去了馬里蘭大學從事研究。現如今，姚文娟正在同復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫院合作進行實驗。雖然未能發表在自己預期的雜志上，但這項重要的發現還是為姚文娟贏得了國家自然科學基金面上項目“耳蝸主動感音機制中多物理場耦合非線性行為特征研究”以及國家自然科學基金重點項目“基于耳蝸宏微觀多結構聯動的聽覺主動放大機制”。

在這項研究中，姚文娟的目標是采用生物力學和生物電學原理，建立反映耳蝸實際尺寸和生理特征的主動耳蝸-多物理場及化學（流-固-電-化）耦合理論模型，用數值仿真模擬耳蝸真實的感音過程，通過理論模型定性分析和數值模擬的仿真計算，逼真地刻畫基底膜、蓋膜、外毛細胞體及靜纖毛與淋巴液在電生理環境下的耦合非線性動力學行為和能量轉換規律，闡釋耳蝸感音中的主動機制，分析內耳結構創傷及病變對感音結構聽力閾值的影響，探究感音神經性耳聾病理與力-電-化耦合行為的關系，最大限度地解決感音神經性耳聾中的疑難問題。

再次獲得實驗研究耳蝸關鍵宏觀結構BM在生理環境中的振動模式是姚文娟申請的國家重點課題的主要目標之一。承接此前的積累，項目擬通過實驗驗證新的機制，同時，采用多學科交叉綜合集成思路，建立復雜耳蝸內各組織結構的多結構聯動力學理論解析及數值模擬聯合模型，整體把握耳蝸系統各組織結構的相互作用轉換規律;探討基底膜、毛細胞等微觀結構的運動與離子通道啟閉間的關系，膜蛋白電荷轉移與毛細胞體電致運動的關系;從物理、生物、化學和醫學機制上全面揭示耳蝸主動感音放大機理，同時為術后聽力恢復的預測提供高效逼真的數值分析平臺，為解決感音性耳聾的疑難問題提供理論依據和應用基礎。

目前這一項目仍在進行中，2021年10月，姚文娟課題組的相關文章已經在中國科學院一區國際TOP期刊《非線性科學與數值模擬通訊》（Communications?in?Nonlinear?Science?and?Numerical?Simulation）發表。對姚文娟來說，這是對她跨界科研的階段性總結，研究仍在繼續，姚文娟在不疾不徐地期待著那個夢想中的突破。

感恩

得道者多助

不斷跨界，不斷創新，姚文娟很少說起自己一路走來所經歷的艱辛，常常提起的反而是對幫助過她的人的感激。

“雖然梁俊毅去了美國，我還經常會在微信上跟他聊一聊實驗進展的情況以及遇到的一些問題。我真的要感謝梁俊毅，帶給我很多科研上的幫助與啟發。我還要感謝我的學生，他們做出了很多的努力。”在她心里，是所有人共同努力才使這項研究得以誕生和延續。

姚文娟幾乎對與自己合作過的每個人都心懷感激。

她感激上海建工集團給她以專家禮遇，她總說：“實際上跟建工集團的龔劍總工相比，我們做的工作不及他們，他們做了那么多成果轉化，我只是做了些微薄的工作。而我的學生房霆宸現在已經成為集團骨干，進入集團后也給了我們很多支持，成為高校和工程單位之間的一座橋梁。”她也很感謝中交第三航務工程勘察設計院有限公司的程澤坤總工程師，“在一些深海重大工程中與他的合作研究受益匪淺”。

而在科研上，姚文娟最感激的是上海大學歷任領導對她的支持。從引進她入校的周哲瑋校長，到支持她不斷進行跨學科創新的金東寒書記，再到如今在她逾花甲之年依舊支持她從事科研創新的劉昌勝校長，以及學科領導郭興明書記、張田忠院長。“他們都是特別重視人才的領導，而且對于我這個年紀的人，他們還能夠打破常規觀念，大力支持我們做交叉學科研究，非常難得，也因此我們學校有著非常好的學術氛圍。”

姚文娟要感謝的人太多了，在尋常人看來這似乎是一種客套，但跟她面對面交流卻能真切地感受到她話語中的真誠。她就是這樣一個人，從不愿說起自己經歷的苦楚、曾經的榮光，有的只是一個科研人樸實的講述、平靜客觀的回望與發自內心的感恩。也許沒有這份舉重若輕的平常心，也很難踏實地坐熱那張冷板凳。

姚文娟最后要感謝的人是她的母親。“她是醫學院的，我小時候她就跟我講，一個人要有抱負，才會有前途;一個國家要有科技，才會強大。那時候科研的理想就在我心里扎了根，我想當工程師、醫生、科學家，這份理想一直指引著我。”說到這里，姚文娟嘴角浮現出笑意，“這個理想我還在實現，實現成為一名合格科學家的理想，雖然理想實現得還不是很圓滿，但我覺得自己非常幸福。”此刻，姚文娟的眼睛如充滿憧憬的孩童一樣，因理想而熠熠生光。

（責編：李白薇）