從顆粒到“宇宙”，探索新世界無限可能

在同濟大學的梧桐樹下，王劍鋒曾仰望星空，心中充滿了對未來的無限憧憬。那時的他，還未曾想到，自己有朝一日可以在顆粒材料的宏微觀世界中往來穿梭，揭示和發現顆粒物質的奧妙。

王劍鋒的科研旅程，就像是一條漸走漸清晰的路徑。從一個對未來迷茫的懵懂青年，到單純研究離散元模擬的初學者，再逐漸蛻變成一個以X射線計算機斷層掃描（CT）、人工智能（AI）等現代先進科學技術為“武器”，進行精細實驗表征和數值模擬，揭示顆粒物質深層次奧秘的國際知名學者，其間，也遭遇過波折，也經歷過磨難，所幸，他有足夠的韌勁、耐心和樂觀的心態來一一應對，這才有了他如今的累累碩果：

20年來，王劍鋒先后利用X射線計算機斷層掃描（CT）、離散元法（DEM）模擬和機器學習方法探索宏觀土壤行為背后的多尺度物理和力學，所做的工作包括巖土材料微觀結構和微觀形態的X射線CT表征、可碎砂基本土壤行為的DEM建模和分析及其在各種巖土工程問題中的應用，例如樁基礎、邊坡穩定性和支護結構等。近年來，他還開發了新穎的模式識別技術，利用實驗土力學、人工智能和計算機視覺技術的跨學科方法來跟蹤CT砂樣本中破碎和未破碎的砂粒。就像是在顆粒世界中繪制一幅幅精細的追蹤地圖，通過這種巧妙的技術研究，不僅可以在土木工程領域預見并防范自然災害，如地基塌方、邊坡失穩、泥石流，甚至火山噴發和地震等，甚至還能突破傳統土力學的邊界，利用顆粒材料的共通性，將其規律應用至微塑膠污染、化工、冶金和制藥等研究領域，為這些行業帶去革命性的突破。“顆粒材料曾被《科學》雜志列為全世界最前沿的125個科學問題之一。”仰望星空，腳踏實地，王劍鋒的科研之旅還在不斷向前延伸……

從同濟走向世界，

致廣大而盡精微

1925年，卡爾·太沙基的專著《土力學》問世，宣告土力學作為一門完整而獨立的學科誕生。盡管土力學科研究的歷史相對較短，但自20世紀八九十年代起，研究學者們開始將焦點轉向土體的微觀行為，這種轉變代表了對土體更深層次理解的追求，是對土力學基礎研究的一次重要深化。他們開始運用CT實驗、DEM、多尺度模擬等先進技術，從微觀到宏觀探索土體的復雜行為。這些方法不僅推動了土力學的發展，也為解決實際工程問題提供了新的解決方案。

彼時，王劍鋒還是一位剛經過高考走到人生十字路口的青年。他對自己的評價是“很長一段時間對未來的規劃都是稀里糊涂的”。他曾夢想成為一名建筑學家，而同濟大學的王牌專業——建筑學是他心中的首選。沒想到因為高考沒發揮出自己的最佳水平，他與建筑學擦肩而過，卻“陰差陽錯”地踏入了同濟大學地下建筑與工程系的大門。當時這一專業下設建筑工程和巖土工程兩個方向，王劍鋒所學是建筑工程。

20世紀90年代，土木工程迎來了它的黃金時代，中國的大地上，一座座高樓拔地而起，一條條道路縱橫交錯。王劍鋒所在的系，很多巖土工程的師生參與基坑工程頗有一番成就，成為后來者流傳的佳話和奮斗的動力。王劍鋒也開始對相關專業有了更深層的了解和建立了探索欲望。

本科畢業時，原本無意科研的王劍鋒已經找好了一份收入不錯的“鐵飯碗”工作，但因為覺得“一定要試一試考研”，于是，那一年深秋，當同濟大學校園的參天梧桐樹葉黃，散落學校四處，王劍鋒和他的摯友、同寢室的兄弟（也是未來同濟大學的教授），一起開啟了他們難忘的拼搏歷程。每天，他們都會在自習室里埋頭苦干，直到夜深人靜。從自習室回寢室的路上，兩人會漫步學校大禮堂前的主干道上，梧桐葉落，鋪滿道路，走過時葉子在腳下沙沙作響，他們仰望著星空一起討論。那些夜晚，星空下的梧桐樹見證了他們的拼搏和努力，也聆聽了他們對美好未來的憧憬。考研的艱辛歷程最終得到了回報，王劍鋒最終成功進入朱合華院士的課題組，成為朱老師最早的一批研究生。

彼時朱合華老師剛從日本回國，意氣風發、躊躇滿志，是同濟大學地下建筑與工程系中青年學術骨干。他帶著滿腔的科研熱情和最前沿的學術視野，已經開始關注數字地層、地理信息系統（GIS）和人工智能算法等前沿的學術課題。“只可惜當時的自己沒怎么開竅，心思也沒太用在科研上。”王劍鋒笑著揶揄自己。

碩士畢業，王劍鋒看到班里不少同學在準備考留學研究生入學考試（GRE）、考托福，計劃申請赴美留學，“我當時覺得還挺有意思的，這應該是‘人間正道’，所以也跟風準備考試”。2001年暑假，王劍鋒踏上了前往北京的列車，加入新東方的備考大軍。那里的學習氛圍如火如荼，每個人都在為自己的夢想揮灑汗水。經過幾個月的緊張備考，王劍鋒在最后考試時竟考出了2360分的高分（滿分2400分）。這個成績讓他自己都感到驚訝，對申請留美也充滿了信心。來年，他果然收到了弗吉尼亞理工大學（Virginia Tech）的全額獎學金邀請，那里的土木工程專業，特別是巖土工程方向，國際聞名。王劍鋒毫不猶豫地接受了這個機會，自此踏上了赴美的旅程。

2002年，王劍鋒跨越重洋，來到美國弗吉尼亞理工大學開啟了他的博士生涯。剛到這里，他就被國際一流學者在基礎研究領域的風范和水平深深吸引。難忘在上巖土工程領域的名家大師、美國工程院院士——邁克爾·鄧肯（Michael Duncan）教授的課時，他感受到了教授嚴謹的治學態度、深刻的學術見解。鄧肯教授不僅在課堂上傳授知識，也通過引導學生閱讀大量領域內名家大師的文獻，帶領他們深入了解巖土工程的前沿問題和研究動態。在閱讀這些文獻的過程中，王劍鋒注意到：盡管中國學者在這一領域耕耘已久，也不乏名家大師，但與國際同行相比，名字和作品出現的頻率“低得可憐”。這種感受在他未來的學術生涯中，默默地激勵著他不斷前行。

在美國弗吉尼亞理工大學，王劍鋒很幸運地遇到了他的兩位恩師——美國人約瑟夫·多夫（Joseph Dove）教授和菲律賓人馬爾特·古鐵雷斯（Marte Gutierrez）教授。正是在他們的引導之下，王劍鋒走入了顆粒材料的研究大門。多夫教授，以其細致入微的關懷，如同慈母般，頻繁與王劍鋒會面，關照著他研究的每一個細節。而古鐵雷斯教授則像慈父一樣，從宏觀上指引研究方向，為王劍鋒的學術之路提供智慧的指引。在兩位導師的精心培育下，王劍鋒的獨立研究能力得到了充分的鍛煉，他逐漸在科研的道路上穩健前行，綻放出屬于自己的光芒。

博士二年級時，王劍鋒加入兩位導師的研究項目，專注于粗粒土與結構面接觸面的離散元模擬研究。如果說在博二以前王劍鋒對科研這條道路的規劃還是“稀里糊涂”的，如同被籠罩在一層朦朧的迷霧中，那么在博士三年級后，他在科研的沃野上意外發現了自己的一片綠洲。當他的第一篇文章投給《巖土工程》（Géotechnique）——領域備受矚目的國際期刊時，他并沒有抱太大的期望。令人驚喜的是，他收到了非常正面且支持性的評審意見，文章在半年后順利發表。相關成果不僅為他樹立起了科研信心，也為他后續的工作奠定了堅實的基礎。

隨后，王劍鋒的文章像破繭的蝴蝶，一篇接一篇地陸續發表在多個主流期刊上，博士生涯因此顯得格外順利和流暢。正是因為在博士階段的出色表現，古鐵雷斯教授向他伸出了橄欖枝，邀請他繼續作為博士后留在實驗室。從那時起，王劍鋒順理成章地踏上了追尋學術的道路，開啟了他的科研新篇章。

從海外至城大，

開啟顆粒追蹤數字研究大門

2008年，金融危機的陰霾籠罩著全球，教職崗位稀缺如金。在一次面試后，香港城市大學（以下簡稱“城大”）迅速向王劍鋒伸出了橄欖枝。雖然起初對這所大學當時的實力和規模有所猶豫，但王劍鋒很快就認定，這里將成為他科研夢想騰飛的地方。在時任校長郭位教授的領導下，城大如同一艘快速行進的大船，排名在幾年后迅速上升了將近幾十位，躋身世界百強之列。

王劍鋒的科研之旅也隨著城大的蓬勃發展越走越順暢。他從單純的離散元模擬研究初學者，逐漸成長為一個以CT實驗為基礎的精細實驗表征和數值模擬的國際級專家。這一轉變，離不開他前同事馬修·庫珀（Matthew Coop）教授（原帝國理工教授）的指導和引領。正是在他的牽引之下，王劍鋒在2012年進入CT研究領域，研究單顆砂粒的破碎行為，從此之后便“一發不可收拾”，在十余年間接連開展了十多個香港研資局和國家自然科學基金項目，其中大多數都屬于具有重大科學價值的基礎研究。

2016年，王劍鋒帶領團隊依托CT掃描技術，細致地完成了試樣中所有顆粒的一對一映射，并構建了精細的離散元模擬。在這一過程中，每一個顆粒的真實形態都被精確捕捉并復現，形成了它的“數字孿生體”（digital twin），這在以往的研究中是未曾實現的。這一成果不僅精確復制了顆粒的物理特征，更在數字領域為它們賦予了新的生命，為顆粒材料的深入研究提供了一種全新的視角和方法。

2020年，王劍鋒和他的科研團隊又一次站在了創新的前沿。他們以CT試驗和精細離散元模擬所積累的豐富數據庫為基礎，采用深度學習這一強大的工具來預測試樣內顆粒間的接觸力。這一研究不僅具有創新性，更在顆粒材料的研究領域中具有重要意義——因為以往的實驗技術無法直接測量顆粒間的接觸力，而它正是阻礙研究者完全理解顆粒材料的“最后一道屏障”。

在過去的5年里，王劍鋒和他的團隊取得了一項突破性的進展——顆粒追蹤技術。這項技術的核心在于利用點云特征描述和深度學習算法，來精確識別和匹配砂土中的每一個離散顆粒，其中包括具有不同形貌復雜度和微觀結構的不同地質成因的多種砂土。就像是給每一顆砂粒都打上了“獨一無二的標簽”，讓他們可以做到在完整的CT掃試樣中，精準地追蹤所有或絕大部分的顆粒的一舉一動，無論它們是完好無損的還是已經破碎。這項技術的創新之處在于為顆粒材料微觀行為和力學機理的研究提供了前所未有的工具和方法。可以將其比作一種比人臉識別還要復雜的技術——“砂臉識別”。它不僅能夠識別每一顆砂粒，還能追蹤它們的運動和變化。

在最近的一項研究中，王劍鋒和他的研究伙伴們更是將顆粒追蹤技術與數字圖像體關聯技術（DVC）相結合，應用于砂土與黏土的混合物。這一創新使得科研人員能夠精準計算這種離散-連續介質的三維變形，就像是在顯微鏡下觀察砂土和黏土的微觀世界，能夠看到它們如何在壓力下變形，如何相互作用。這項研究的意義不僅在于它為顆粒材料的力學研究提供了全新的方法和技巧，更在于它為研究人員理解自然界中的地質現象，以及在工程領域中設計更安全、更耐久的顆粒材料結構，提供了新的視角和可能性。這是一次對傳統研究方法的顛覆，也是一次對科學邊界的拓展。

歲月如梭，如今，王劍鋒在香港城市大學已辛勤耕耘了十六載。回望這段歲月，仿佛經歷了一場漫長而充實的馬拉松。一路走來，數十年如一日的艱苦奮斗，終有所成但也頗有曲折，可以說是酸甜苦辣盡嘗遍。

在王劍鋒的科研生涯中，最刻骨銘心的挑戰莫過于兩次申請終身教職（tenure）被拒，接連受挫一度讓他懷疑人生。那兩年可以說是王劍鋒人生最低谷，身體狀況也很糟糕，“毫不夸張地說，有好多次我都準備豎著進教室，橫著出教室”。然而，也許是“勞其筋骨、苦其心志”的體驗磨礪了他的意志。王劍鋒慶幸自己在那段最黯淡的日子里，沒有消沉和放棄，而是重新鼓起勇氣堅毅地前行，真正做到了臥薪嘗膽，東山再起。“我最終花了9年時間才拿到了終身教職。現在回頭看這一段經歷，無疑是上天給我‘最寶貴的財富’，讓我獲得跌倒后重新爬起來的能力和信心，真正相信了那句‘天將降大任于斯人也，必先苦其心志，勞其筋骨’。”自此，王劍鋒深刻體會到堅持與勇氣的價值，讓他在未來科研的道路上更加堅定和從容。目前，他和團隊正致力于一系列創新研究，這些工作不僅涵蓋了全場顆粒追蹤技術的精進，也包括開發針對土體混合物的新型數字圖像體關聯技術、土體侵蝕的CT試驗和離散元模擬、采用深度學習創建顆粒土的本構模型等。這些研究無一例外地屬于交叉學科的前沿，旨在融合多學科的方法與技術，深入探索顆粒材料的物理力學之奧妙。這些工作不僅與時俱進，更是數字科技革命時代精神的體現，展現了科研工作的時代特色。

從一個人到一群人，

共同踐行顆粒研究夢想藍圖

“跟很多其他領域一樣，AI技術正在快速滲入土木工程領域，即便是我所在的基礎研究領域也未能例外。隨著數字化技術和人工智能的飛速發展，巖土工程及其基礎研究領域或許在不久的將來也會迎來革命性變革。在這一大趨勢之下，我下一步的探索重點可能會是顆粒材料系統的數字孿生體系的研發與應用，有了這個平臺，我們將來完全用這個工具來做虛擬實驗就行了。”跟袁隆平院士有個禾下乘涼的夢想一樣，王劍鋒也有個關于自己科研領域的終極夢想：“如果計算機的算力足夠強大，有朝一日我們或許可以坐在家里就能精準地設計和計算所有的巖土工程設施。不僅是建筑的設計，我們還能更精準地預測大自然的顆粒體系事件，比如地基塌方、邊坡失穩、泥石流災害，甚至火山噴發或是地震海嘯等。這將是一場真正的革命，讓我們能夠未雨綢繆，防患于未然。”

有夢就有動力，讓王劍鋒感到高興的是，他的身邊，如今已經聚集了這樣一群志同道合的人，雖然團隊規模不算很大，但所有人都愿意在一起為著夢想而打拼。“我很慶幸有緣擁有這樣一批非常優秀的青年學生，包括最初的趙卜蒂、周博，到中期的程壯、武猛猛，以及近期的熊威、夏張琦和朱志仁等，他們每一位都在博士期間作出了非常重要且獨到的貢獻。更重要的是，他們之間有很好的默契與合作精神，一步一步合力實現我們的研究構想和藍圖。”每每談起這些學生，他的眼里總是閃爍著自豪的光芒。

對教書培育新人這份責任，王劍鋒看得很重，每一年，他都肩負2到3門的課程，致力將顆粒材料的前沿研究理念、方法和成果融入傳統的土力學和巖土工程課程中，培養具有扎實理論功底和前瞻思維的未來巖土工程師和科學家。他常常以自己的經歷為引，鼓勵年輕學子要在科研的沙漠中尋找自己第一片綠洲，培養對探索的熱情和耐心；教導他們選擇充滿潛力的科研道路，拓寬視野，俯瞰整個學術領域的壯麗山河。他強調快速學習與終身學習的重要性，要求學生一定要打下堅實的數理化基礎，將知識融會貫通，運用自如。他還常常提醒學子們提升英語水平，“這是跨越學術海洋，與世界交流的風帆”。“科研之路充滿挑戰，唯有堅忍不拔的意志和強大的內心，才是通往成功的不二法門。”當年的學子歷經風霜成長為循循善誘的導師，只想把自己親身經歷收獲的感悟和經驗都授予后輩，像傳遞火炬一樣，照亮他們前行的道路。

閑暇時，王劍鋒也有自己的興趣愛好——運動、美食和旅游。在他看來科研的靈感往往潛藏在生活的縫隙之中。在假期的閑暇時光，他喜歡讓自己的思緒隨風飄揚，無論是在飛機上的一次電影觀賞，還是在山間小徑的徒步旅行，或是在鄉間小路上的騎行，他總能在這些放松的時刻捕捉到思維的火花。有時候，一個突如其來的想法就像流星劃過夜空，照亮了他的研究之路。他記得，與愛人戀愛的美好時光，也見證了他科研上的一次突破——一個靈感的閃現，讓他迅速回到實驗室，短短幾個月就將想法轉化為了成果，并獲得了一項世界大獎。

“顆粒雖小，卻能決定山川的穩定；數據雖抽象，卻能預測自然的脈動。”這，就是王劍鋒眼中的顆粒材料研究，一個充滿無限可能的新世界。而他，愿意與有共同愛好和夢想的人一起去探索。