在同濟大學(xué)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(fā)現(xiàn)顆粒物質(zhì)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(xué)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(xiàn)代先進科學(xué)技術(shù)為“武器”，進行精細實驗表征和數(shù)值模擬，揭示顆粒物質(zhì)深層次奧秘的國際知名學(xué)者，其間，也遭遇過波折，也經(jīng)歷過磨難，所幸，他有足夠的韌勁、耐心和樂觀的心態(tài)來一一應(yīng)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(xué)習(xí)方法探索宏觀土壤行為背后的多尺度物理和力學(xué)，所做的工作包括巖土材料微觀結(jié)構(gòu)和微觀形態(tài)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(yīng)用，例如樁基礎(chǔ)、邊坡穩(wěn)定性和支護結(jié)構(gòu)等。近年來，他還開發(fā)了新穎的模式識別技術(shù)，利用實驗土力學(xué)、人工智能和計算機視覺技術(shù)的跨學(xué)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(shù)研究，不僅可以在土木工程領(lǐng)域預(yù)見并防范自然災(zāi)害，如地基塌方、邊坡失穩(wěn)、泥石流，甚至火山噴發(fā)和地震等，甚至還能突破傳統(tǒng)土力學(xué)的邊界，利用顆粒材料的共通性，將其規(guī)律應(yīng)用至微塑膠污染、化工、冶金和制藥等研究領(lǐng)域，為這些行業(yè)帶去革命性的突破?！邦w粒材料曾被《科學(xué)》雜志列為全世界最前沿的125個科學(xué)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(xué)》問世，宣告土力學(xué)作為一門完整而獨立的學(xué)科誕生。盡管土力學(xué)科研究的歷史相對較短，但自20世紀八九十年代起，研究學(xué)者們開始將焦點轉(zhuǎn)向土體的微觀行為，這種轉(zhuǎn)變代表了對土體更深層次理解的追求，是對土力學(xué)基礎(chǔ)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(shù)，從微觀到宏觀探索土體的復(fù)雜行為。這些方法不僅推動了土力學(xué)的發(fā)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(jīng)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(guī)劃都是稀里糊涂的”。他曾夢想成為一名建筑學(xué)家，而同濟大學(xué)的王牌專業(yè)——建筑學(xué)是他心中的首選。沒想到因為高考沒發(fā)揮出自己的最佳水平，他與建筑學(xué)擦肩而過，卻“陰差陽錯”地踏入了同濟大學(xué)地下建筑與工程系的大門。當時這一專業(yè)下設(shè)建筑工程和巖土工程兩個方向，王劍鋒所學(xué)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(guān)專業(yè)有了更深層的了解和建立了探索欲望。

本科畢業(yè)時，原本無意科研的王劍鋒已經(jīng)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(xué)校園的參天梧桐樹葉黃，散落學(xué)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(xué)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(xí)室里埋頭苦干，直到夜深人靜。從自習(xí)室回寢室的路上，兩人會漫步學(xué)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(fēng)發(fā)、躊躇滿志，是同濟大學(xué)地下建筑與工程系中青年學(xué)術(shù)骨干。他帶著滿腔的科研熱情和最前沿的學(xué)術(shù)視野，已經(jīng)開始關(guān)注數(shù)字地層、地理信息系統(tǒng)（GIS）和人工智能算法等前沿的學(xué)術(shù)課題?！爸豢上М敃r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(yè)，王劍鋒看到班里不少同學(xué)在準備考留學(xué)研究生入學(xué)考試（GRE）、考托福，計劃申請赴美留學(xué)，“我當時覺得還挺有意思的，這應(yīng)該是‘人間正道’，所以也跟風(fēng)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(xué)習(xí)氛圍如火如荼，每個人都在為自己的夢想揮灑汗水。經(jīng)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(xué)（Virginia Tech）的全額獎學(xué)金邀請，那里的土木工程專業(yè)，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(xué)開啟了他的博士生涯。剛到這里，他就被國際一流學(xué)者在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的風(fēng)范和水平深深吸引。難忘在上巖土工程領(lǐng)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?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、深刻的學(xué)術(shù)見解。鄧肯教授不僅在課堂上傳授知識，也通過引導(dǎo)學(xué)生閱讀大量領(lǐng)域內(nèi)名家大師的文獻，帶領(lǐng)他們深入了解巖土工程的前沿問題和研究動態(tài)。在閱讀這些文獻的過程中，王劍鋒注意到：盡管中國學(xué)者在這一領(lǐng)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(xiàn)的頻率“低得可憐”。這種感受在他未來的學(xué)術(shù)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(xué)，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(dǎo)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(guān)懷，如同慈母般，頻繁與王劍鋒會面，關(guān)照著他研究的每一個細節(jié)。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(xué)術(shù)之路提供智慧的指引。在兩位導(dǎo)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(wěn)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(dǎo)師的研究項目，專注于粗粒土與結(jié)構(gòu)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(guī)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(fā)現(xiàn)了自己的一片綠洲。當他的第一篇文章投給《巖土工程》（Géotechnique）——領(lǐng)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(fā)表。相關(guān)成果不僅為他樹立起了科研信心，也為他后續(xù)的工作奠定了堅實的基礎(chǔ)。

隨后，王劍鋒的文章像破繭的蝴蝶，一篇接一篇地陸續(xù)發(fā)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(xiàn)，古鐵雷斯教授向他伸出了橄欖枝，邀請他繼續(xù)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(xué)術(shù)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(shù)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(xué)（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(xué)當時的實力和規(guī)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(lǐng)導(dǎo)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(fā)展越走越順暢。他從單純的離散元模擬研究初學(xué)者，逐漸成長為一個以CT實驗為基礎(chǔ)的精細實驗表征和數(shù)值模擬的國際級專家。這一轉(zhuǎn)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(dǎo)和引領(lǐng)。正是在他的牽引之下，王劍鋒在2012年進入CT研究領(lǐng)域，研究單顆砂粒的破碎行為，從此之后便“一發(fā)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(xué)基金項目，其中大多數(shù)都屬于具有重大科學(xué)價值的基礎(chǔ)研究。

2016年，王劍鋒帶領(lǐng)團隊依托CT掃描技術(shù)，細致地完成了試樣中所有顆粒的一對一映射，并構(gòu)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(tài)都被精確捕捉并復(fù)現(xiàn)，形成了它的“數(shù)字孿生體”（digital twin），這在以往的研究中是未曾實現(xiàn)的。這一成果不僅精確復(fù)制了顆粒的物理特征，更在數(shù)字領(lǐng)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(chuàng)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(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，采用深度學(xué)習(xí)這一強大的工具來預(yù)測試樣內(nèi)顆粒間的接觸力。這一研究不僅具有創(chuàng)新性，更在顆粒材料的研究領(lǐng)域中具有重要意義——因為以往的實驗技術(shù)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(shù)。這項技術(shù)的核心在于利用點云特征描述和深度學(xué)習(xí)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(fù)雜度和微觀結(jié)構(gòu)的不同地質(zhì)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(jīng)破碎。這項技術(shù)的創(chuàng)新之處在于為顆粒材料微觀行為和力學(xué)機理的研究提供了前所未有的工具和方法?？梢詫⑵浔茸饕环N比人臉識別還要復(fù)雜的技術(shù)——“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(shù)與數(shù)字圖像體關(guān)聯(lián)技術(shù)（DVC）相結(jié)合，應(yīng)用于砂土與黏土的混合物。這一創(chuàng)新使得科研人員能夠精準計算這種離散-連續(xù)介質(zhì)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?nèi)绾卧趬毫ο伦冃?，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(xué)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(zhì)現(xiàn)象，以及在工程領(lǐng)域中設(shè)計更安全、更耐久的顆粒材料結(jié)構(gòu)，提供了新的視角和可能性。這是一次對傳統(tǒng)研究方法的顛覆，也是一次對科學(xué)邊界的拓展。

歲月如梭，如今，王劍鋒在香港城市大學(xué)已辛勤耕耘了十六載。回望這段歲月，仿佛經(jīng)歷了一場漫長而充實的馬拉松。一路走來，數(shù)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(zhàn)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?zāi)サZ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?！拔易罱K花了9年時間才拿到了終身教職?，F(xiàn)在回頭看這一段經(jīng)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’?！弊源耍鮿︿h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(chuàng)新研究，這些工作不僅涵蓋了全場顆粒追蹤技術(shù)的精進，也包括開發(fā)針對土體混合物的新型數(shù)字圖像體關(guān)聯(lián)技術(shù)、土體侵蝕的CT試驗和離散元模擬、采用深度學(xué)習(xí)創(chuàng)建顆粒土的本構(gòu)模型等。這些研究無一例外地屬于交叉學(xué)科的前沿，旨在融合多學(xué)科的方法與技術(shù)，深入探索顆粒材料的物理力學(xué)之奧妙。這些工作不僅與時俱進，更是數(shù)字科技革命時代精神的體現(xiàn)，展現(xiàn)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(lǐng)域一樣，AI技術(shù)正在快速滲入土木工程領(lǐng)域，即便是我所在的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域也未能例外。隨著數(shù)字化技術(shù)和人工智能的飛速發(fā)展，巖土工程及其基礎(chǔ)研究領(lǐng)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(tǒng)的數(shù)字孿生體系的研發(fā)與應(yīng)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?！备∑皆菏坑袀€禾下乘涼的夢想一樣，王劍鋒也有個關(guān)于自己科研領(lǐng)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(shè)計和計算所有的巖土工程設(shè)施。不僅是建筑的設(shè)計，我們還能更精準地預(yù)測大自然的顆粒體系事件，比如地基塌方、邊坡失穩(wěn)、泥石流災(zāi)害，甚至火山噴發(fā)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?！?/p>

有夢就有動力，讓王劍鋒感到高興的是，他的身邊，如今已經(jīng)聚集了這樣一群志同道合的人，雖然團隊規(guī)模不算很大，但所有人都愿意在一起為著夢想而打拼?！拔液軕c幸有緣擁有這樣一批非常優(yōu)秀的青年學(xué)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(xiàn)我們的研究構(gòu)想和藍圖。”每每談起這些學(xué)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(zé)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(tǒng)的土力學(xué)和巖土工程課程中，培養(yǎng)具有扎實理論功底和前瞻思維的未來巖土工程師和科學(xué)家。他常常以自己的經(jīng)歷為引，鼓勵年輕學(xué)子要在科研的沙漠中尋找自己第一片綠洲，培養(yǎng)對探索的熱情和耐心；教導(dǎo)他們選擇充滿潛力的科研道路，拓寬視野，俯瞰整個學(xué)術(shù)領(lǐng)域的壯麗山河。他強調(diào)快速學(xué)習(xí)與終身學(xué)習(xí)的重要性，要求學(xué)生一定要打下堅實的數(shù)理化基礎(chǔ)，將知識融會貫通，運用自如。他還常常提醒學(xué)子們提升英語水平，“這是跨越學(xué)術(shù)海洋，與世界交流的風(fēng)帆”?！翱蒲兄烦錆M挑戰(zhàn)，唯有堅忍不拔的意志和強大的內(nèi)心，才是通往成功的不二法門?！碑斈甑膶W(xué)子歷經(jīng)風(fēng)霜成長為循循善誘的導(dǎo)師，只想把自己親身經(jīng)歷收獲的感悟和經(jīng)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(fēng)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(xiāng)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(xiàn)，讓他迅速回到實驗室，短短幾個月就將想法轉(zhuǎn)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(wěn)定；數(shù)據(jù)雖抽象，卻能預(yù)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。