学术报告 ｜ 杨卫院士：交叉科学——无尽的前沿

2023年1月7日，在教育部学位管理与研究生教育司、教育部科学技术与信息化司、国家自然科学基金委信息学部、中国工程院信息与电子工程学部指导下，由中国人工智能学会、中国自动化学会主办，中国人工智能学会教育工作委员会、中国自动化学会教育工作委员会承办，在百度公司、京东集团、钢铁侠科技、浙江大学上海高等研究院、北京工业大学北京人工智能研究院支持下，以“智能科学与技术交叉学科发展新机遇”为主题的“智行中国”系列论坛第三期成功举办。

中国科学院院士、发展中国家科学院院士、司库、美国工程院外籍院士、固体力学专家，杨卫院士发表题为《交叉科学——无尽的前沿》的主旨报告。他从交叉学科的学理、实操、案例三个章节对交叉学科的发展进行了阐述，提出了学科发展的经纬结构、学科空间和交叉学科的衍生过程，从交叉学科部的组织、文化、领域覆盖和矩阵式扁平化管理新模式出发，论述了如何跳出传统单一学科理念，以打破学科之间的壁垒束缚。同时，杨卫院士以自己正在进行的交叉力学这一领域，描述了介质交叉、层次交叉、刚柔交叉和质智交叉等案例，生动形象地讲述了交叉学科的实践和发展。

为了促进学术交流，现将杨卫院士报告中关键ppt内容发布，以便共同思考学科交叉的手段和方法。

第一部分 交叉科学的学理

杨卫院士提出，学科的发展是具备一定的经纬结构的，其中主要的结构如下：

学科经轴与教育纬度：学科自身发展的纵向路径（经轴）与不同教育水平之间的横向联系（纬度）。

学科教育的纵向贯穿与横向连通：学科教育从低年级至高年级，本科生至研究生水平上的贯穿过程，以及不同学科之间共享的横向连通过程。

纵向学科生长数与横向教育平台。

学科连接度量——毗邻与交叉。

层次共享度量——教育、知识、人才、平台。

杨卫院士提出，每个学科自身都可视为学科空间中的一点，该空间以距离作为关联性度量，具有连通性、各向同性、转动观察客观性的关联性空间（二维形况下为球面）。学科的球径可表示学科发展过程中的一个度量尺度。随着学科的分化和离异，尺度会不断增加，反之随着学科相关度的增加，关联性提高，尺度则会不断减小。

以文献计量学方法为手段，可将圆周弧段作为27个学科类型，圆内的点表示研究主题的位置，其对应的泡泡大小衡量其相关学术产出，越靠近边缘的点表示其研究内容越靠近单一领域，反之则表示其研究内容与其他学科产生更深层次交叉。点的位置通过杠杆原理可以计算出学术产出对应各学科所占比重，而点的大小则代表学术产出的体量。对比清华大学与浙江大学学术产出的主题分布可发现（数据来源：SciVal，检索日期为2021年4月26日），浙江大学在农、医学科等方面产出更多，而清华大学在物理科学、信息科学等方面产出更旺盛。

杨卫院士讲到，交叉学科的形成首先是需要两学科共同研究一个问题，形成学科交叉，在研究过程中产生了稳定的研究问题就可以维系学科交叉的深入进行。杨卫院士提出交叉科学的衍生过程：

播种——培育问题：首先找到适合于学科交叉的研究问题，可供多学科共同研究。国家自然科学基金委交叉学部作为主要的支持者对学科交叉研究提供支持。

收获——成果评价：国家、企业可设有对学科交叉成果评判的委员会，对交叉学科成果进行评价。

繁衍——学科形成：学科交叉过程中在某些问题上形成了稳定的成果，该成果可以与人才培养进行关联，同时培养可能持续时间超过了教育所需周期的数倍，则可能形成新的交叉学科。

交叉学科的设立主要关心以下问题：1.该学科是否有自身学理基础；2.交叉学科的形成能否支持较长时间的培养过程；3.新兴交叉学科是否会制约相邻学科的发展。

目前的交叉学科门类初步布局，还没有形成广泛的联络结构。2022年国务院学位委员会第三十七次会议审议通过了《研究生教育学科专业目录（2022年）》，决定从2023年起正式实施。《研究生教育学科专业目录（2022年）新增了第14个学科门类——交叉门类。交叉门类下设集成电路科学与工程、国家安全学、设计学、遥感科学与技术、智能科学与技术、纳米科学与工程、区域国别学、文物等8个一级学科，另下设1个专业学位为密码。

第二部分 交叉科学的实操

在设立国家自然科学基金交叉科学部过程中，进行了广泛的调研和深入的研讨工作，组织开展了许多论坛、研讨工作。

交叉科学部组织架构包含学科办公室、专家咨询委员会、综合与战略规划处以及四个学科处。指导方针为TOP：团队合作、开放包容、激情创新。

四个学科处分别为物质科学处、智能制造处、生命与健康处、融合科学处。

中国学术产出的研究主题分布如图（数据来源：SciVal，检索日期为2021年4月26日），其中与生命健康、物质科学、智能制造和融合科学四个学科处对应的主题区域如图中区域所示。

交叉科学部主要涉及的研究类型为以重大复杂问题为导向，以交叉科学研究为特征，重点为“强”交叉、“广”交叉、“深交叉”。目前不涉及“面青地”问题。

对于交叉学科来说，由于涉及学科面广，所设领域众多，对于专家的选择指派方式需要有别于传统方式。交叉科学部使用“矩阵式”扁平化管理模式，跳出传统单一学科理念，打破学科之间壁垒束缚。具体的指派理念如下：

指派权限不以学科划分，充分考虑必要的回避；

若同一项目设计多个研究领域，则要共同讨论再进行指派；

根据项目研究内容和交叉特征，单一领域专家与交叉学科背景专家结合；

全面使用计算机辅助指派系统，个性化指派+分组指派。

交叉科学部的评审理念基于“科学价值”而非“指标完成”，尊重科学发展规律，立足交叉本质特征。采用“RCC”评审机制改革进行评审。

第三部分 交叉科学的案例

杨卫院士提到，在结束基金委工作后他回到了浙江大学成立交叉力学中心并担任了首席科学家。浙江大学交叉力学中心提出了四个交叉方向分别为：介质交叉、层次交叉、刚柔交叉、质智交叉。在本篇章中杨卫院士主要介绍了几项浙江大学交叉力学中心进行中的有代表性的工作，作为交叉研究的案例。

在介质交叉方向，交叉力学中心主要研究如何将固体和流体进行结合，这对应的是软物质力学。该领域中目前的一个关键话题既是水凝胶的力学问题，交叉力学中心研究了功能水凝胶图层在医疗、制药等众多场景中的应用，作为交叉研究发表在《National Science Review》上。

此外，将水凝胶冻干获得的ACP粘结水凝胶干粉，可以应用至多种器官的重建实验中，甚至可以应用于创伤快速救援。

在层次交叉方向，研究金刚石室温塑性的直接证据。金刚石原本是硬、脆性材料，但在一定条件下会发生位错并产生位错环，交叉力学中心进行了量子力学层面的计算，发现在一定条件下金刚石内部电子云间会产生连接，产生类似金属键的性质并获得塑性变形的能力。

基于金刚石室温塑性的研究可以使用金刚石制作刀具，应用到“原子刀”中，进行原子层面的切削。

此外，浙江大学交叉力学中心所进行的典型交叉研究的交叉研究还包括无耐压壳软体机器人，这是一项包含力学、机械、信息、材料、仿生、海洋等领域的交叉研究，在2021年投稿至Nature杂志并成为了封面文章。

在质智交叉方向（物质与智能），交叉力学中心进行了与医学、脑机接口等交叉的研究，对渐冻症患者提取脑机信号，指挥机器手完成工作。

此外，交叉力学中心还研究了高机动足式机器人，在机械学、动力学方面进行交叉研究，使得足式机器人的运动速度得到大幅度提升。