2022年度封面人物系列盘点（七）｜专访海归青年科研人员

科研是探索未知的边界

—专访海归青年科研人员

姚炜琪关注新生代至今多时空尺度下的古 海洋和古气候，尤其是极 热时期 。约5500万年前，古新世—始新世地球突然发生了气候快速变暖，在这持续20万年的极热时期，巨量注入海洋系统的碳排放，导致海洋酸化、大洋脱氧、大量底栖有孔虫灭绝。以古为镜，将今论古。极热时期碳排放总量接近现代社会的碳排放预测值，是研究未来气候和地球系统变化的重要地质案例。在全球变暖背景下，姚炜琪希望自己的研究为当下和未来气候暖化环境下的地球系统变化给出一些参考和启示。

2018年，27岁的多伦多大学地球科学系在读博士生姚炜琪一直在研究长时间尺度古海洋环境反应。数据测试时一个小小的信号突然闯进她的视线：极热时期，海水硫同位素信号在10万年内发生了千分之一的正偏移并快速恢复。理论上，这一时期的硫同位素信号应该非常稳定不会发生改变。古海洋化学的示踪指标，能够反映生物地球化学过程对气候和构造变化的响应与反馈机制，及其对生态系统的影响。根据这个微小的信号异常，姚炜琪接连提出了三个假说，并用建模验证了其中一种的可能性，最终这一成果投稿到《科学》杂志，半年后被顺利刊登。她发现，古新世—始新世极热时期，海水含氧最小层出现大规模脱氧的现象，氧气的减少促进了以硫酸盐为食的细菌繁衍，这些细菌会生成有毒物质硫化氢，继而影响鱼类的食物链。

小时候，姚炜琪常常在海边捡贝壳、游泳，对大海亲近又熟悉。姚炜琪本科在中山大学就读的海洋专业，彼时是报考“冷门”，班 上多 数同学是被调剂过 来的。海岸、洋流、大气、生态渔业……接触专业知识后，姚炜琪发现海洋专业远比她想的复杂。大三细分专业前，老师们讲解了各自的科研方向，其中一位老师提到了可燃冰，这种蕴含天然气的燃料仍在海底沉睡，亟须科 研探索。她为此着了迷，决定研究海洋生物地球化学循环和气候变化。因为喜欢，姚炜琪的专业课学得极好。学习上的得心应手，让姚炜琪越来越感到自己和海洋专业契合，对这片神秘的蓝色领域进行科研探索的想法在她的脑海里逐渐清晰。

确 定 专业 方 向 后，姚 炜 琪 参 与了一项“南海天然气水合物自生物矿物学和地球化学示踪特征”的课题。水合物是当时海洋领域的研究热点之一，但多数研究关注甲烷和碳循环。这个课题让姚炜琪第一次接触了硫循环、各种含硫矿物以及与碳循环之间的紧密耦合关系。循着硫循环的研究方向，她申请了多伦多大学的硕士，导师Ulr ichG.Wortmann教授是这方面的专家。“求学阶段是影响一个人世界观、人生观和价值观的重要时期，我很想出去见见世面，拓宽视野。”出国前，父母叮嘱她：“出去学一些真本事，回国作贡献。”

底特律一个实验用停车场内，一台无人车成功避过了行走的车辆和模拟的“行人”，倒车入库，停在准确的位置上。人群开始欢呼，陈建宇激动地和队友击掌、拥抱。那是搭载他自己设计的算法的无人车，实验的成功意味着他的“带约束非线性轨迹规划研究”从理论算法到仿真再到实车实验得到完整验证。

那是2017年初，25岁的陈建宇在美国加州大学伯克利分校攻读博士，研究领域包括自动驾驶和机器人技术。当时尚处于商业无人驾驶行业的早期，大多数无人车的决策规划系统使用的是基于人为规则的方法，而陈建宇研究的方法能够自动地对无人车这种非线性系统实时规划出安全的轨迹。

自动驾驶在今天已不是新鲜事。谷歌推出自动驾驶商用服务，特斯拉的高级辅助驾驶功能搭载在乘用车上，百度的无人驾驶巴士也已量产下线。作为科研工作者，陈建宇攻关的并不是当下正在落地的技术，而是着眼于更长远的、有前景的未来技术方向，探索其背后的基础科学问题，从而为行业未来的技术发展提供具有前瞻性的思路。在2017年轨迹优化还未被很好地应用于无人车时，陈建宇所做的相关工作在当时就属于前沿的科研方向，后来这类技术被无人车行业大量采用。从2018年底起，陈建宇的研究重点转向了更为前瞻的方法—基于强化学习的自学习算法，打败世界围棋冠军的机器人AlphaGo运用的正是这种算法。在这一阶段陈建宇做出了领域内较早的几个基于自学习方法的复杂道路环境自动驾驶工作，后来各大无人车企业也陆续部署强化学习的相关研究。目前，在这种方法的基础上，陈建宇关注另一重要但容易被忽视的前沿领域—强化学习的安全性和可解释性。

强化学习能让机器人通过自我学习的方法极大地提高其智能性，但是基于深度神经网络的自学习方法具有一定的“黑箱特性”，人类尚无法确定其内部的运作机制，也无法确定它会不会做出一些不安全的动作。在下围棋、打游戏的场景下偶尔出现这样的问题是可以被接受的，如果在高速行驶的无人车上或是与人协作的机械臂上发生错误，后果不堪想象。因此，若想将这一技术应用于实际，必须保障其算法安全可靠、可解释。

在清华大学交叉信息研究院和上海期智研究院，陈建宇牵头开展“安全可靠的自进化智能系统关键技术研究”，融合人工智能、机器人学和控制学理论，解决智能机器人从感知到决策的一系列难题，得到安全、可靠、高效的无人车、机械臂等机器人控制策略。

强化学习的安全性和可解释性目前全球都还没有很好的答案。当前有比较好的安全保障机制的机器人系统基本上采用的是传统机器人的工作方法，其智能性受到了一定的限制；而基于自我进化的新型控制方法，其安全性还没有很好的解决方法。陈建宇团队的研究，在“带约束的安全强化学习和感知—决策联合学习”两大方面取得突破，相关成果在人工智能、机器人、控制与智能交通领域顶级期刊和会议上发表，得到了同行的认可。

陈建宇经历过很多次“至暗时刻”。一次做无人车实车实验时，车辆行驶不稳定，常常在障碍物周围突然开始左右摇晃。陈建宇抱着电脑坐在车上，一遍一遍地改代码、调试、重来。车晃得让他难受，内心更是焦急。试车场地很昂贵，需要在较短的时间内完成。那几天还正临近期中考试，他白天做实验，晚上熬夜复习，又累又焦虑。后来终于确定问题出在约束的引入方式上。

这样的经历还有很多。“经常设想好的点子以为不会有问题，但实际就出现了各种奇怪的问题，这个时候很考验耐心，再坚持一下，再多尝试一下，以为难以解决的问题往往就这样解开了。”陈建宇不害怕失败，因为“与失败相伴的，是每一次的进步”。

“社会生物学之父”爱德华·威尔逊在《给年轻科学家的信》中，第一条建议便是“希望你能竭尽所能地坚持下去”。在陈建宇看来，要想成为一名优秀的科学家，光尽力还不够，还需要有强大的内驱力，有兴趣引路。“对我来说，学到一些新的知识，创造一些有意义的东西，都让我快乐。”他说，“科研并不是苦的，工作也可以是一种娱乐。”

清华大学实行的是PI制，以PI为核心进行资源配置。作为独立PI，陈建宇自己组团队做项目，学校和院系给予资金、资源等各项支持。陈建宇说，学校和院系的支持足够让他“可以自由探索自己 感兴 趣的科 学问题”。

清华大学对他也有极高的期待—做出全世界范围内顶尖的科研成果。实际上，这也是陈建宇自己的期待。

陈建宇在清华大学读完本科，申请到美国加州大学伯克利分校直博，师从国际著名的自动控制专家、机电控制和预见控制学科的创始人Masayoshi Tomizuka教授。陈建宇所做的是人工智能和机器人的交叉研究。他说，中国在某些人工智能领域的地位已接近甚至超过美国，但是在机器人的核心技术方面和欧美国家还存在一定的差距。他留学美国便是为了去学最先进的技术，向这个领域的世界级大咖学习，进行科研上的合作。

回国是出国前便确定的事。“我所学的是所在行业的关键技术点，投身科研的一个重要目的就是推动国家技术发展。”中国一些关键核心技术被“卡脖子”，陈建宇迫切希望能为此做点什么。毕业后，他拒绝了谷歌无人车的offer，回到中国。被“卡脖子”的高端机器人的软件系统的开发，是他团队未来的攻关方向。

做出世界级的成果，挑战是巨大的。怎样发现有意义的科 学问题，考验眼 光和视野；怎样去解决一个非常难的问题，考验能力和耐心。但陈建宇说，他对自己有信心。

青年的意气、锐气、豪气，来自能力，来自精神，来自一颗好胜心。

陈建宇从小好胜，确定目标后愿付出一切努力。从小学升到省重点初中后，他的成绩从第一名落到了班级中上游，因为“不喜欢、不甘心排在后面”，那一学期，他非常努力地学习，直到重回第一名并一直保持。高中时他开始探索课程学习之外的自身潜力，打乒乓球打成国家二级运动员，参加物理、化学、数学竞赛全获大奖。

“不喜欢、不甘心排在后面”，现在，一个青年科学家对世界宣告，想要赢。

过去一年是陈建宇身份转化的第一年。他从一名学生变成了带硕博研究生的导师、给本科生授课的老师。

背着双肩包、穿着运动鞋的陈建宇，走在清华校园里，看起来仍像一个学生。但是当他和他的博士生在一起，很容易看出谁是老师—他仅比学生大3~6岁，但自带老师的“威严”。陈建宇认为：“学生刚刚接触科研时还是很需要多多引导的，想让学生听你的话，需要建立一些威信。”在学生的描述中，陈建宇“儒雅、和蔼，总是以鼓励为主”，是一位“会在凌晨四点给学生改代码”的老师。面对这些在他看来“很聪明、有创造力”的学生，陈建宇也在探索怎样去做一个更好的导师，激发学生的潜力。他带着学生调研，找寻有价值的研究方向；对研究方向进行探索、验证；提供软件、硬件以及智力等各方面的支持。也有让他犯难的时候：要给每个学生设计好的课题，并对每一个人的课题都非常了解，出了问题还要能帮助他们解决。

教学上陈建宇也是新手。入职一年来他给本科生开了两门课—《机器人学导论》《智能系统与机器人》。每周两节课，他需要两到三个全天来备课：要反复推敲，保证内容的准确性、严谨性；要深入浅出，让学生易懂；既 要 有基 础知识，也要 有 前沿研究，培养学生的兴趣……他自豪“课讲得还可以”。

从学生转为老师，身份、状态的改变给陈建宇带来了很大挑战。以前有老师“罩”着，有学长学姐带着，做好自己的科研就行。现在他需要承担起比之前大得多的责任。科研上，他面临着“世界级成果”的压力和终生教轨的考核。除了自己做好科研外，还要确保学生也能做出科研成果；要花大量的时间去完成好教学工作；要做好育人工作，培养学生成为未来的优秀科学家……他也是重视家庭的人，“随着年龄增长，家庭的事情也会越来越多，怎么平衡科研、教学、家庭之间的关系也是比较大的一个挑战。”一个年轻人，正学着去应对身上的各种责任。

2022年4月，陈建宇将满30岁。他称自己“勉强”做到三十而立，“无论事业还是家庭都刚刚起步，还有非常大的提升的空间”。下一个十年，他希望在领域内做出一系列突出的贡献，成为国际上知名的学者，并推动技术产业的变革；希望培养出很多优秀的年轻科学家，在科学领域绽放光彩。

“二次电池虽然不能自己产生电能，但可以储存携带能量，减小人们对石油、煤等不可再生资源的依赖性。”这是采访时乔羽对自己研究领域的开场白，二次电池犹如一块独具魅力的“能量魔方”，吸引着乔羽去不断探索。这，或许 要追溯到他的童年时代。

小时候，乔羽跟着在一家汽车公司负责图纸管理的妈妈去上班。他乖乖地坐在一边，看着妈妈像陀螺一样忙个不停：把电脑里的数据导出来，打印在一张宽大的白图上，再按照要求裁成不同的尺寸，用氨水过成蓝图……那是乔羽最早接触的化学反应，神奇而奥妙。妈妈的工作对精准度要求很高，每一个尺寸都不能有一丝一毫的偏差。“质量的保障靠每一个细节成就 。”妈妈严谨的工作态度，潜移默化地影响着乔羽。“不一定非要天赋异禀才能成才，在求知的路上，坚持、自律、好奇心缺一不可。其实我的记忆力不算太好，‘好记性不如烂笔头’，看到知识要点，及时记录很重要，看文献、做实验，我会把有用的信息和能想到的外延结合自己的思考一并记录。直觉思维很重要，灵光一闪的想法，不及时记下来，转瞬就会忘，而很多奇思妙想恰恰隐藏在这样的瞬间里。”乔羽表示。

2007年，乔羽考入国内一所知名大学，一年后因为对专业 感到迷茫，他 选择退学重新备战高考。20 09年，乔羽考入中国科学 技 术 大 学 材料 化学专业 。他 说：“兴 趣是 最 好的催化 剂，没有兴 趣，很 难 与从事的职业发生化学反应。兴趣相当于时间产出，人们更愿意把时间用在感兴趣的事情上。同时时间管理非常重要，需要严格的自律，制订计划，严格执行，快乐地去尝试。成功就是时间的累积。我比较喜欢做化学实验，包括一些材料的合成、制备、电化学的表征。大二时我就进了实验室。导师比较重视我的课题，给了我很多鼓励与鞭策，引领我走上能源材料化学和锂离子电池研发这条路。”2013年，乔羽去日本北海道大学读硕士，之后进入日本筑波大学读博士，博士毕业后在日本国立产业技术综合研究院（A IST）从事博士后研究工作，进行二次电池相关的机理研究和新材料体系研发。求学期间，乔羽在Nature Energy《自然能源》，Nature Catalysis《自然-催化》，Joule《焦耳》等国际顶级学术刊物上发表学术论文40余篇。

当七年的留学生涯落下帷幕，乔羽决定回国，导师周豪慎教授谆谆教导他：“在国内要认真地做科研，尤其是材料科学和能源化学领域，需要啃硬骨头，做深做透，千万不要浮于表面。”

新需要试错和穷举2021年4月，乔羽加入厦门大学化学化工学院和福建省能源材料科学与技术创新实验室（嘉庚实验室）。研究方向主要集中于二次电池相关新型储能体系开发和二次电池相关电化学原位谱学表征。在厦门大学，他开始组建二次电池技 术与表征课题组。另外，学校给予他招收硕士生、博士生的资格，他很快进入导师角色，带着10名硕士生和2名博士生进入课题组。这支年轻的队伍充满着蓬勃的生机。乔羽只比学生大几岁，因为年纪相仿，学生们和他交流起来特别顺畅。他学识渊博，思维活跃，颇得学生的爱戴。

丰厚的文化积淀与广博的知识储备，在乔羽身上已成为一种力量，吸引着他身边的人。他表示，“创造的前一步是学习，后一步才是把学到的知识进行创新。知识的积累是成功的燃料，为事业提供足够的能量。中小学阶段就是积累时期，需要大量的知识储备。做科研就是站在巨人的肩膀上，在先辈科学家所做的学术积累上前进。如果本身知识积累不够，即便是站在巨人的肩膀上，也领略不到远方的风景。”

乔羽有着深深的忧患意识，中国作为一个发展中国家，亟须科研创新，现在国内的科研技术，比如芯片核心技术，包括一些化工原材料、电池中的核心部件的产出过程，还是依靠国外先进技术。核心技术是国之重器，中国迫切需要加快实现关键核心技术的突破，实现自主可控。不突破，就会被“卡脖子”。科研要攻坚突破，必须争分夺秒。他常常感叹时间不够用，因此把所有能用的时间都用在了科研上。

“科学上的创造是需要去试错的。但是试错需要‘沉没成本’，错误会使整个团队的研究停止不前。科研就是一个简单的穷举过程，就是不断地去试错，多是以团队协作的模式运行。”乔羽举例道，100个硕士生去尝试1项新事物，每个人就改变0.01的变量，只要有1个人成功了，团队就成功了，其他99个人都不算失败。

“整 体 的 创新，是可以 不计沉没 成 本的。现在我们也应该有这样创新的试错环境，但是现实条件有所制约，如果一个导师带着三五个学生，试了三五年的错，结果没有任何产出，学生们就不能如期毕业，学生的压力会变得很大，同时研究成果的产出也直接影响社会的接受力。”乔羽表示。

科研呼唤试错空间，要给科研工作者宽松的土壤，让他们勇于试错、敢于试错。现在这个问题也得到了广泛的重视。在未来，这种现象一定会有所改观。这也是乔羽想要看到的。

厦门大学是能源电化学基础研究的重镇，学风浓厚，“自强不息，止于至善”的校训和“求真求实、自由开放”的学风深深地吸引着乔羽，特别是田中群院士和孙世刚院士倡导的“敢为先，和为贵，重细节”的理念，更能够促进年轻的科学家向着自己的梦想和祖国需要的方向默默耕耘。乔羽感叹：“这样的土壤很难得！”他的科研抱负犹如一颗吸足了水分和能量的种子，亟须在一片肥沃的土壤里落地生根。来到厦门大学，乔羽被委以 重任，主持国家自然科 学基金项目，并参与科技部重点研发项目。

他非常珍惜这样的科研机会，“我的运气比较好，很幸运来到厦门大学”。轻描淡写的语气里是努力给予的底气。

乔羽对二次电池的前景非常看好，他坦言，二次电池也就是电化学储能，无论是手机等小型电子设备，还是电动汽车等动力电池装备，都离不开二次电池的发展。最近十年相关方向的发展，也正是因为二次电池的进展，才能够发展迅速。高容量、长循环、高安全性的二次电池研发迫在眉睫。作为高校，在电池研究领域有先天优势，应在基础研究层面上，巩固现有二次电池技术研究，同时尝试和研发新型电池技术。

谈到二次电池的应用，乔羽表示，二次电池，尤其是锂离子电池以质量轻、环保、循环寿命长等特点受到人们的青睐，如今已成为电动汽车部署的关键，但缺点是受温度影响比较大，在寒冷的冬天对续航里程有影响。乔羽解释，这是因为锂离子电池的负极材料石墨在中低温的情况下，本身容量受限。要优化现有的天然石墨这些负极材料，找一些新的材料去替换，但需要考虑成本。如果电池成本很高，消费者不愿意为此买单，这个产品就是失败的。这不是电池层面上的失败，而是应用层面、功能学上的失败。乔羽强调，这个问题10年内应该能够解决。

科研之路，道阻且长，电化学世界的能量魔方，未知永远大于已知。乔羽期望能够建设 超越西方科 研团队的、针对二次电池和储能体系的原位电化学表征研究范式，为国内高比能、长循环二次电池的发 展贡献力量。

当然，乔羽的生活里不光有科研，亦有生活。他喜欢厦门这座城市，闲暇时出去走走，感受一下“一迳抱幽山，居然城市间”的惬意，让味蕾邂逅美食，或约上三五好友去打球，在运动中放空自己。他沉迷科研，也不拒生活的烟火气息，生命是蓬勃的，不拘一格的，这就是“90后”科研工作者身上的气息，沉静却不沉闷。三十而立，浪遏飞舟，时光一定不会辜负一个努力拼搏的人。