美國國家工程院院士、中國工程院外籍院士黃鍔：非線性研究方法是中國高端產(chǎn)業(yè)革命面臨的重大科學(xué)機(jī)遇

青島的應(yīng)用從“海浪”走向“腦電波”

人物小記：

黃鍔，美國國家工程院院士、中國工程院外籍院士，美國航空航天署（NASA）前首席海洋科學(xué)家，在數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域造詣深厚、享譽(yù)國際，先后被授予“美國服務(wù)貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”“美國航空航天署（NASA）年度發(fā)明家獎(jiǎng)”，并多次榮獲“NASA杰出太空法案獎(jiǎng)”。

1998年，黃鍔創(chuàng)建的HHT數(shù)據(jù)分析方法被廣泛引用于氣候變化、重大設(shè)備安全檢測、醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域，單篇文章被引用2.2萬余次，被美國航空航天署譽(yù)為“NASA歷史上應(yīng)用數(shù)學(xué)領(lǐng)域最偉大的發(fā)現(xiàn)之一”。

2016年，黃鍔又原創(chuàng)性地建立了針對非線性相互作用數(shù)據(jù)分析的理論與方法——高維全息譜，目前已應(yīng)用在海洋湍流研究、腦科學(xué)、助聽設(shè)備、橋梁和高鐵安全診斷等領(lǐng)域。

核心觀點(diǎn)：

沒有科學(xué)支撐的創(chuàng)新是一個(gè)個(gè)“點(diǎn)”，最多能連成一條線；有科學(xué)支撐的創(chuàng)新才能匯聚成一“面”，可以發(fā)展成一個(gè)真正的“時(shí)代”和一個(gè)大的產(chǎn)業(yè)。

與線性研究方法完全不同，非線性方法意味著高維，蘊(yùn)含了巨大的信息。傳統(tǒng)線性分析方法是做加法，非線性分析方法是做乘法。

如果將線性研究方法比做條形碼，那非線性研究方法就是二維碼，與“千變?nèi)f化”的二維碼信息量相比，前者所含的信息量明顯要低得多。

今天，美國工程院院士、中國工程院外籍院士黃鍔應(yīng)邀來青，在中國-上合組織技術(shù)轉(zhuǎn)移中心由市科技局組織的生物醫(yī)藥沙龍上擔(dān)當(dāng)主講嘉賓。

沙龍上，現(xiàn)年84歲高齡的黃鍔院士圍繞“腦科學(xué)”這一主題，進(jìn)行了近一個(gè)半小時(shí)的分享，詳細(xì)闡述了其關(guān)于非線性研究方法的科學(xué)突破，并進(jìn)一步分享了該研究方法在腦科學(xué)、生物醫(yī)藥、海洋、全球氣候變化、重大設(shè)備安全檢測等領(lǐng)域的拓展性應(yīng)用，為與會(huì)人員描繪了一幅通往非線性研究和產(chǎn)業(yè)化的宏偉藍(lán)圖。

有科學(xué)支撐的創(chuàng)新，才能匯聚成一個(gè)“面”

在演講的開篇，黃鍔從全球發(fā)展現(xiàn)狀入手，探討了科學(xué)與創(chuàng)新的辯證關(guān)系。“在當(dāng)今時(shí)代，‘創(chuàng)新’是無處不在的話題。”他說。

黃鍔先“拋出”了“李約瑟難題”的例子——英國學(xué)者李約瑟在其編著的15卷《中國科學(xué)技術(shù)史》中提出，“盡管中國古代對人類科技發(fā)展做出了很多重要貢獻(xiàn)，但為什么科學(xué)和工業(yè)革命沒有在近代的中國發(fā)生？”

對這一難題，黃鍔給出的答案是：中國的發(fā)展史上有很多技術(shù)發(fā)明的創(chuàng)新，但這些創(chuàng)新缺乏物理、數(shù)學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域科學(xué)原理的支撐。換句話說，中國科學(xué)發(fā)展的根基是十分薄弱的。

“沒有科學(xué)支撐的創(chuàng)新是一個(gè)個(gè)‘點(diǎn)’，最多能連成一條線；有科學(xué)支撐的創(chuàng)新才能匯聚成一個(gè)‘面’，可以發(fā)展成一個(gè)真正的‘時(shí)代’和一個(gè)大的產(chǎn)業(yè)。”黃鍔說，這就是非線性思維研究的邏輯起點(diǎn)。

對此，黃鍔給出了一個(gè)淺顯的類比——沒有科學(xué)支撐的創(chuàng)新，就像是淘寶上隨處可見的一個(gè)個(gè)小產(chǎn)品，它們或許有局部創(chuàng)新，但難成“氣候”。

與此相對，上個(gè)世紀(jì)五六十年代，威廉姆·肖克利與約翰·巴丁、沃爾特·布拉頓共同發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體，并因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在這項(xiàng)“科學(xué)”成果的支撐下，半導(dǎo)體、集成線路、晶片等逐漸在美國實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，也因此才造就了加利福尼亞州今天電子工業(yè)密布的硅谷地區(qū)。這就是科學(xué)支撐下的創(chuàng)新，造就了一個(gè)“硅谷芯片時(shí)代”。

黃鍔說，當(dāng)前，在全球發(fā)展的新格局下，中國面臨著科學(xué)史上的新機(jī)遇——非線性科學(xué)的發(fā)展。“我們現(xiàn)在已經(jīng)掌握了從線性的約束模式中解放出來的非線性的科學(xué)，它應(yīng)該為新階段產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展賦能。”黃鍔說。

非線性研究方法，以“乘法”思維拓展信息量

1998年，黃鍔創(chuàng)建了希爾伯特-黃數(shù)據(jù)分析方法，又稱為HHT數(shù)據(jù)分析方法，打破了線性研究的束縛，開啟了非線性研究的時(shí)代，并進(jìn)一步建立起了高維全息譜這一非線性數(shù)據(jù)分析的研究工具。

沙龍現(xiàn)場，黃鍔表示，在取得非線性研究成果之前，國際上“通用”的是以傅立葉分析為代表的線性研究方法。這種研究方法往往通過“加法”的形態(tài)展示。

打破這一傳統(tǒng)研究方法，黃鍔的靈感來源于海洋研究。“海浪就是非線性的、非平穩(wěn)的，這類自然現(xiàn)象如果依賴線性方法進(jìn)行研究，就會(huì)產(chǎn)生結(jié)果偏差。”

“與線性研究方法完全不同，非線性方法意味著高維，蘊(yùn)含了巨大的信息。”黃鍔說，“傳統(tǒng)線性分析方法是做加法，而非線性分析方法就是做乘法。”

為方便理解，黃鍔通俗地將線性研究方法和非線性研究方法分別類比為條形碼和二維碼——與“千變?nèi)f化”的二維碼信息量相比，前者所含的信息量明顯要低得多。“條形碼只能應(yīng)用于一個(gè)商場內(nèi)的貨物，而二維碼可以應(yīng)用到14億中國人。”他說。

與會(huì)者跟著這個(gè)比喻進(jìn)入了非線性研究方法的世界，也理解了與線性研究方法相比，非線性研究方法適配的領(lǐng)域更加“包羅萬象”，新的非線性研究方法揭示出來的全新信息也能大有作為。

從海洋研究到“大腦”研究，非線性研究思維很“普適”

事實(shí)上，這種非線性的研究方法已經(jīng)在青島“擅長”的海洋和臺風(fēng)預(yù)報(bào)等領(lǐng)域開展了成功應(yīng)用。

黃鍔說，之前國際上對臺風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)的主要表現(xiàn)為對強(qiáng)臺風(fēng)預(yù)報(bào)偏弱、對弱臺風(fēng)預(yù)報(bào)偏強(qiáng)，這一點(diǎn)在過去幾十年間幾乎沒有科學(xué)進(jìn)展，這與學(xué)界一直以來缺乏對海洋與大氣界面精細(xì)物理過程的科學(xué)認(rèn)知不無關(guān)系。

針對這一國際難題，2016年，在非線性研究模式的賦能下，黃鍔與自然資源部第一海洋研究所喬方利團(tuán)隊(duì)合作攻關(guān)，揭示了海洋湍流這一世界難題的本質(zhì)，在這一國際前沿取得重大突破。

在非線性思維的引導(dǎo)下，團(tuán)隊(duì)將更多“細(xì)節(jié)”納入了研究范圍。比如，波浪破碎產(chǎn)生的飛沫可以大幅度增加海洋與大氣之間熱量通量，這也是復(fù)雜的湍流過程。

黃鍔說，了解了這些因素，我們對臺風(fēng)強(qiáng)度的預(yù)測偏差便大大減小，預(yù)報(bào)能力提高了約30%，在臺風(fēng)預(yù)測領(lǐng)域取得了科學(xué)的重大突破，實(shí)現(xiàn)了全球領(lǐng)跑。

與海浪一樣，腦電波同樣具有非線性、非平穩(wěn)特征。因此，黃鍔將顛覆性的非線性研究方法應(yīng)用到腦科學(xué)研究中也是“順理成章”。

“通過非線性定量分析方法，我們可以從腦電波的信號中精確、定量地提取出關(guān)鍵信息，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了對抑郁癥、失眠癥、小兒多動(dòng)癥等疾病進(jìn)行定量診斷，在此基礎(chǔ)上逐步實(shí)現(xiàn)干預(yù)性前期治療，這具有跨時(shí)代意義。”黃鍔說。

怎么實(shí)現(xiàn)呢？黃鍔圖文結(jié)合給與會(huì)人員講解道，當(dāng)用高維全息譜將腦電波“展開”呈現(xiàn)的時(shí)候，人腦中更多細(xì)節(jié)將會(huì)“無所遁形”，科學(xué)家就可以更加精確地抓取到致病元兇。

據(jù)悉，從非線性數(shù)據(jù)分析理論與方法出發(fā)，黃鍔團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研發(fā)出多類“物理藥品”，可針對老年失智、抑郁、失眠、多動(dòng)癥、記憶力減退等進(jìn)行定量化診斷。

院士成果要轉(zhuǎn)化，青島搭建了平臺

不僅是海洋、腦科學(xué)領(lǐng)域，非線性研究方法也可直接應(yīng)用到飛機(jī)、橋梁等的定量化安全檢測，在助聽器研發(fā)和生產(chǎn)等醫(yī)療領(lǐng)域也大有作為。

“世界上約有10%的人需要助聽器，但其中只有40%的人會(huì)去購買；而購買的人群中，又有60%的人會(huì)放棄佩戴助聽器。這是因?yàn)椋F(xiàn)在的助聽器佩戴后并不‘舒服’。”黃鍔說，“而且，高端助聽器主要依賴進(jìn)口。”隨后，黃鍔以一組詳實(shí)的數(shù)據(jù)勾畫了助聽器這個(gè)產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀。

“不好用”的原因在于，市場上現(xiàn)有的助聽器都是基于運(yùn)用“加法”的傅立葉數(shù)據(jù)分析進(jìn)行研發(fā)和生產(chǎn)，通過簡單的線性研究方法無法精確過濾那些本該被清除的“雜聲”。而這恰好是非線性研究方法的“用武之地”。

現(xiàn)場，黃鍔通過音頻分析圖和音軌播放結(jié)合的方式向大家展示了團(tuán)隊(duì)用新原理成功研發(fā)出的助聽器。這款產(chǎn)品讓佩戴助聽器的人可以感受到正常對話的“聲音”，實(shí)現(xiàn)了高保真。

這樣的醫(yī)療器械正在尋找市場推廣之道。青島這場科技沙龍就是為院士成果進(jìn)入市場搭建了平臺。

沙龍現(xiàn)場，既有海信醫(yī)療、百洋智能科技、海爾生物醫(yī)療、簡碼基因、鵬鋒誠醫(yī)療等本地生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的知名企業(yè)負(fù)責(zé)人，也有來自齊魯醫(yī)院、青大附院、青島市立醫(yī)院等本地醫(yī)療機(jī)構(gòu)的專家代表，大家都期待在醫(yī)療領(lǐng)域借力黃鍔發(fā)明的非線性理論和方法，開展深入合作。

齊魯醫(yī)院副院長、青島院區(qū)院長焉傳祝激動(dòng)地說，他們已經(jīng)與黃鍔院士團(tuán)隊(duì)開展了深度合作，“黃鍔院士的非線性理論與方法是一項(xiàng)顛覆性創(chuàng)新，可為醫(yī)療領(lǐng)域帶來一場革命。”焉傳祝說，“腦電圖從上世紀(jì)七十年代就開始應(yīng)用，但半個(gè)世紀(jì)以來國內(nèi)外幾乎沒有技術(shù)進(jìn)展，黃院士的非線性研究方法讓這個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重大突破，展示了更加廣闊的醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景，我們的合作已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。”

當(dāng)然，不得不提的還有北京中關(guān)村醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)化中心主任趙大權(quán)。趙大權(quán)此次是慕黃鍔之名，特地從北京趕來參加沙龍的。在討論環(huán)節(jié)，他介紹，中關(guān)村醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)化中心已初步構(gòu)建了集技術(shù)、人才、產(chǎn)業(yè)、資本為一體的科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，包括醫(yī)學(xué)工程轉(zhuǎn)化服務(wù)平臺、國際檢驗(yàn)檢測認(rèn)證服務(wù)平臺、醫(yī)藥創(chuàng)客平臺等三大平臺。

這引起了黃鍔的高度興趣，他與趙大權(quán)現(xiàn)場討論成果推廣應(yīng)用的途徑，趙大權(quán)當(dāng)即承諾，將為黃鍔對接專業(yè)的技術(shù)成果轉(zhuǎn)化服務(wù)。

一場沙龍讓青島見證了黃鍔的非線性理論創(chuàng)新的無窮魅力，也傳遞出這位“老院士”對祖國高質(zhì)量發(fā)展的傾心關(guān)注。

“全球前十名的醫(yī)療設(shè)備生產(chǎn)商中沒有一家中國企業(yè)，他們都采用線性研究方法生產(chǎn)設(shè)備，就能獲得非常高額的‘溢價(jià)’，如果我們能夠以非線性方法深耕相關(guān)領(lǐng)域，是不是可以找到在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車的機(jī)會(huì)？”黃鍔期待地說。

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