破解美丽泡泡背后的科学奥秘

笑看今朝

■记者 姜泓

  皮肤烫伤为什么会起水疱？牙齿受冷刺激产生的痛感为何比热刺激大？因为一次偶然的烫伤，开始一场长达16年的科学研究，西安交大卢天健教授团队完成的“皮肤与牙热—力—电耦合行为机理”研究首次揭示了这些简单的生活现象背后所蕴藏的不为人知的科学奥秘，为临床热疗、仿生及感知技术的应用提供了理论依据，奠定了我国在生物组织热—力—电耦合理论方面的国际领先地位。

  前不久，2015年度国家科学技术奖揭晓，这项研究成果获得国家自然科学二等奖。

  创新源于对普通事物的好奇

  卢天健长期致力于“超轻多孔材料”及“生物组织热—力耦合学”的基础和应用研究，是我国在这两个前沿领域的学术带头人和连续两个973项目的首席科学家。

  就像传说中的牛顿与苹果的故事，“皮肤与牙热—力—电耦合行为机理”研究也是缘起于生活偶然。一次，卢天健吸烟时烟头不小心烫到了手背，两分钟后，皮肤起了一个疱——后来这个启发卢天健研究灵感的“水疱”被他称之为“美丽泡泡”。一个平常的生活现象，引发了卢天健的思索：“为什么皮肤被烫后会起疱？疼痛与力和刺激有什么关系？”进而他想到建立一种模型定量描述这个过程。一直以来，皮肤、牙齿等遇冷、热疼痛的机理不明晰，感知缺乏统一的定量评价体系，这个领域研究的空白阻碍了热疗等技术的应用，同时人机交互感觉研究的缺失也制约了机器人和感知技术的发展。

  卢天健的学生徐峰、林敏，以及在复合材料领域研究颇有建树的北京理工大学胡更开教授等先后加入研究团队。徐峰主要针对皮肤组织的传热、热损伤、热疼痛及仿生皮肤组织等的交叉研究；胡更开教授是项目的“理论指导”，针对非均质结构复合材料，开展塑性细观力学、微纳观力学及热—力耦合研究；林敏开展针对牙体组织的热—力学特性及热疼痛机理的实验及数值模拟研究。

  “由于这项研究属于前沿交叉领域，很多问题的突破口，都是不同学科背景研究者的思维碰撞的结果。”卢天健总结说：“历时16年的研究取得突破，离不开项目团队的协同作战。这是一次团队能量的爆发，是一个由生活‘偶然’走向科学研究的‘必然’。”

  贵在迎难而上的坚持

  “皮肤与牙热—力—电耦合行为机理”研究，选取皮肤和牙组织作为研究对象，针对热—力刺激诱发疼痛的机理及其量化的瓶颈问题，揭示了皮肤、牙齿冷、热疼痛具有显著差异的流体动力学机理，填补了皮肤在异常温度下产生力学性能变化以及相关热损伤的理论空白，为临床热疗、仿生和感知等技术在生物、医疗领域显示出强大的应用前景。

  这项研究属于前沿交叉领域，涉及力学、传热学、生物力学、神经生理学等多个学科，而卢天健、徐峰、林敏则分别来自力学、多相流、材料不同学科背景，研究难度可想而知。 “研究项目涉及交叉学科，对我们来说难点多，难度大。”徐峰说，研究刚起步的时候，完全从零开始。由于不同学科对同一概念的理解不同，徐峰为此闹过不少“笑话”。记得有一次，他们想从数学角度建立一个关于皮肤烧伤的模型，当时找医生要，结果医生给了他们一个动物模型。“我当时就傻眼了，又不好意思说。”后来找了一个两方面都了解一些的老师做“中间人”，对方才弄明白。为了解相关学科知识，徐峰广泛搜集国内外论文1万多篇，在不到4年的时间里消化吸收。他的第一篇文章曾被20多家杂志社拒稿，原因是没有人从这个角度想过，觉得他们“异想天开”。但他和卢老师并不气馁，反复修改，最终这篇名为《皮肤组织的生物热力学》的文章发表在力学领域标志性的杂志JPMS上。

  林敏也面临同样的困难。“研究工作展开的前半年是最痛苦的，这项研究涉及的解剖学、神经生理学、传热学、固体力学、流体力学等，没一个是我懂的。”就为了“弄懂”，林敏这个博士生重新当回了“本科生”，用了6个月将所涉及学科的本科教材全部“啃”了一遍。

  “做科学研究，困难和挑战是必须的，瞄准世界学术前沿迎难而上，是科研工作者应该具备的精神素养和应尽的职责。”卢天健表示说，项目能够获奖，是肯定更是激励。我们今后的研究将会继续探索空白领域，用知识报效祖国，用科技改变生活。