美國(guó)國(guó)家工程院院士、中國(guó)工程院外籍院士黃鍔：非線性研究方法是中國(guó)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(guó)國(guó)家工程院院士、中國(guó)工程院外籍院士，美國(guó)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(guó)際，先后被授予“美國(guó)服務(wù)貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”“美國(guó)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(cè)、醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域，單篇文章被引用2.2萬(wàn)余次，被美國(guó)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(duì)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(tīng)設(shè)備、橋梁和高鐵安全診斷等領(lǐng)域。

核心觀點(diǎn)：

沒(méi)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(guó)工程院院士、中國(guó)工程院外籍院士黃鍔應(yīng)邀來(lái)青，在中國(guó)-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(cè)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(kāi)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?！霸诋?dāng)今時(shí)代，‘創(chuàng)新’是無(wú)處不在的話(huà)題?！彼f(shuō)。

黃鍔先“拋出”了“李約瑟難題”的例子——英國(guó)學(xué)者李約瑟在其編著的15卷《中國(guó)科學(xué)技術(shù)史》中提出，“盡管中國(guó)古代對(duì)人類(lèi)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(méi)有在近代的中國(guó)發(fā)生？”

對(duì)這一難題，黃鍔給出的答案是：中國(guó)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(huà)說(shuō)，中國(guó)科學(xué)發(fā)展的根基是十分薄弱的。

“沒(méi)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)?！秉S鍔說(shuō)，這就是非線性思維研究的邏輯起點(diǎn)。

對(duì)此，黃鍔給出了一個(gè)淺顯的類(lèi)比——沒(méi)有科學(xué)支撐的創(chuàng)新，就像是淘寶上隨處可見(jiàn)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(duì)，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(guó)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(shuō)，當(dāng)前，在全球發(fā)展的新格局下，中國(guó)面臨著科學(xué)史上的新機(jī)遇——非線性科學(xué)的發(fā)展?！拔覀儸F(xiàn)在已經(jīng)掌握了從線性的約束模式中解放出來(lái)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?！秉S鍔說(shuō)。

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(chēng)為HHT數(shù)據(jù)分析方法，打破了線性研究的束縛，開(kāi)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(chǎng)，黃鍔表示，在取得非線性研究成果之前，國(guó)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(guò)“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(lái)源于海洋研究?！昂＠司褪欠蔷€性的、非平穩(wěn)的，這類(lèi)自然現(xiàn)象如果依賴(lài)線性方法進(jìn)行研究，就會(huì)產(chǎn)生結(jié)果偏差?！?/p>

“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?！秉S鍔說(shuō)，“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?！?/p>

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(lèi)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?！皸l形碼只能應(yīng)用于一個(gè)商場(chǎng)內(nèi)的貨物，而二維碼可以應(yīng)用到14億中國(guó)人?！彼f(shuō)。

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(wàn)象”，新的非線性研究方法揭示出來(lái)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(zhǎng)”的海洋和臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)等領(lǐng)域開(kāi)展了成功應(yīng)用。

黃鍔說(shuō)，之前國(guó)際上對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)的主要表現(xiàn)為對(duì)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)偏弱、對(duì)弱臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)偏強(qiáng)，這一點(diǎn)在過(guò)去幾十年間幾乎沒(méi)有科學(xué)進(jìn)展，這與學(xué)界一直以來(lái)缺乏對(duì)海洋與大氣界面精細(xì)物理過(guò)程的科學(xué)認(rèn)知不無(wú)關(guān)系。

針對(duì)這一國(guó)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(guó)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(guò)程。

黃鍔說(shuō)，了解了這些因素，我們對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)偏差便大大減小，預(yù)報(bào)能力提高了約30%，在臺(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)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(guò)非線性定量分析方法，我們可以從腦電波的信號(hào)中精確、定量地提取出關(guān)鍵信息，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)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?！秉S鍔說(shuō)。

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(kāi)”呈現(xiàn)的時(shí)候，人腦中更多細(xì)節(jié)將會(huì)“無(wú)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(lèi)“物理藥品”，可針對(duì)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(tái)

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(cè)，在助聽(tīng)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(tīng)器，但其中只有40%的人會(huì)去購(gòu)買(mǎi)；而購(gòu)買(mǎi)的人群中，又有60%的人會(huì)放棄佩戴助聽(tīng)器。這是因?yàn)?，現(xiàn)在的助聽(tīng)器佩戴后并不‘舒服’。”黃鍔說(shuō)，“而且，高端助聽(tīng)器主要依賴(lài)進(jìn)口。”隨后，黃鍔以一組詳實(shí)的數(shù)據(jù)勾畫(huà)了助聽(tīng)器這個(gè)產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀。

“不好用”的原因在于，市場(chǎng)上現(xiàn)有的助聽(tīng)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(guò)簡(jiǎn)單的線性研究方法無(wú)法精確過(guò)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(chǎng)，黃鍔通過(guò)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(tīng)器。這款產(chǎn)品讓佩戴助聽(tīng)器的人可以感受到正常對(duì)話(huà)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(chǎng)推廣之道。青島這場(chǎng)科技沙龍就是為院士成果進(jìn)入市場(chǎng)搭建了平臺(tái)。

沙龍現(xiàn)場(chǎng)，既有海信醫(yī)療、百洋智能科技、海爾生物醫(yī)療、簡(jiǎn)碼基因、鵬鋒誠(chéng)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(lái)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(zhuān)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(kāi)展深入合作。

齊魯醫(yī)院副院長(zhǎng)、青島院區(qū)院長(zhǎng)焉傳祝激動(dòng)地說(shuō)，他們已經(jīng)與黃鍔院士團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(lái)一場(chǎng)革命?！毖蓚髯Ｕf(shuō)，“腦電圖從上世紀(jì)七十年代就開(kāi)始應(yīng)用，但半個(gè)世紀(jì)以來(lái)國(guó)內(nèi)外幾乎沒(méi)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?！?/p>

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(lái)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(tái)、國(guó)際檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證服務(wù)平臺(tái)、醫(yī)藥創(chuàng)客平臺(tái)等三大平臺(tái)。

這引起了黃鍔的高度興趣，他與趙大權(quán)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)接專(zhuān)業(yè)的技術(shù)成果轉(zhuǎn)化服務(wù)。

一場(chǎng)沙龍讓青島見(jiàn)證了黃鍔的非線性理論創(chuàng)新的無(wú)窮魅力，也傳遞出這位“老院士”對(duì)祖國(guó)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(méi)有一家中國(guó)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(chē)的機(jī)會(huì)？”黃鍔期待地說(shuō)。

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