力学被誉为现代科学的第一缕曙光，对于社会生产的发展产生了深远影响。在力学发展的三个阶段中，交叉力学何时出现？从万米海沟中的机器鱼到极寒之地的微纳光纤，交叉力学在相关研究中扮演了什么样的角色？为此我们采访到了中国科学院技术科学部院士、固体力学家杨卫。
力学三级跳，实现新跨越
问：您的研究领域涉及固体力学、材料学、多尺度力学，您可以简单介绍一下什么是交叉力学？交叉力学目前的应用领域有哪些？
答：大家都知道力学是一个比较早发展起来的学科，可以说它是现代科学的第一缕曙光。所以从力学发展之初到后来整个体系的建立，我们认为是力学发展的第一个阶段。
力学发展的第二个阶段就是把它的理论方法辐射到很多相关的工程技术领域，比如航空航天、土木、建筑、材料、机械制造、海洋等等领域。我们称这一阶段为力学的辐射。在辐射的过程中，有一部分力学毕业的学生参与了相关领域的工作并取得了很好的成绩。
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现在我们讲的交叉力学是指力学的第三个发展阶段。在此阶段，我们要重新从与力学相联系的学科中吸收它们发展中的新思想、新理论、新方法，和力学的现有理论、思想、方法等融合在一起，交叉在一起，促进力学学科进一步的重塑，这个过程叫做交叉力学。所以交叉力学是一种跨学科的融合。
从学科的角度来讲，力学可以和所有的基础学科或者应用学科进行交叉，比如力学和物理学交叉，一般叫做物理力学；力学和化学交叉叫做力化学，英文的名字叫做mechanochemistry；力学和生物学交叉，现在有两种叫法，一种叫生物力学，一种叫力生物学；力学和数学交叉一般是从应用力学、应用数学的角度上进行交叉。50年代的时候很多力学系跟数学系在一起，体现了数学和力学在方法上的交叉。力学和各个工程领域，比如刚才讲的航空航天，我本人现在就是航空航天学院的老师，我们航空航天学院有两个系，一个是力学系，一个是航空航天系，这两个系就进行该方面的交叉，这是我讲到的第一个意思，就是学科上的交叉。
第二个意思就是研究不同交叉的问题中，以力学作为主要内容的现象，比如我们一块建立的交叉力学研究中心，它是研究4个交叉：
一、介质交叉，介质就是medium。不同介质之间的交叉比如固体和流体之间能不能形成一种新的介质？怎么去描述它的力学性能？
二、层次交叉，就是不同的层次，比如宏观层次、细观层次、微观层次等。
三、刚柔交叉，就是特别硬的和特别软的如何交叉在一起，组成更好的结构或者材料，或者各种各样的设计。
四、质智交叉，相当于我们的物质世界和智能信息世界的一个交叉。
问：您在做前沿领域的过程当中，有没有遇到过什么样的挑战和困难？
答：遇到的挑战还是很多的。首先，涉及很多领域交叉的时候，有的领域你熟悉，有的领域你不熟悉。那么每一个领域都有自己特有的方法论、理论体系、话语体系、实验方法等，都需要进行比较深入的学习。
其次，你需要让两个领域的学者都认可你的工作，一般的学者很排斥万金油似的人，如果你给他展示了一个交叉，一种范式或者方法，能够给他提供新的内容、新的内涵，那他认为你的工作是有价值的。如果你只是说一说，他一般瞧不起你。
现在，每一个学科有自己的科技前沿，而且经过了多年的精耕细作，再往前推进一点往往都比较困难。但是在学科交叉之间，有大片的处女地，蕴含着可能产生很多新成果的领域。这时只要能够把两个学科的东西交叉使用，编织起来就能取得一种1加1大于2的加和方式。
交叉力学，路在何方？
问：您如何看待交叉力学未来的发展情况？
答：交叉力学领域刚刚展开，我们希望能够取得很好的成果。
2020年11月，我和另外两位老师合作撰写了一本名为《力学导论》的书，已由科学出版社出版。本书很全面地介绍了力学如何与不同的领域交叉在一起，比如它和航空航天交叉在一起，叫做飞行器力学；和土木工程交叉在一起，叫做工程力学；和体育运动交叉在一起，叫做运动力学；和信息交叉在一起，叫做信息力学；和社会科学的探索交叉在一起，叫做社会力学等。
我们试图从非常宽广的视角去看力学与不同的学科进行的交叉，虽然很多地方都是非常初步的，但是我们希望将来在各方面能够推进交叉领域的研究。用力学的方法去研究事物，有时候可以得到一些新的成果，比如大家都知道现在机器人很火，我们遇到的一个问题就与机器人有关。
目前，轮式机器人可以比相同重量的动物或人跑得快，但是足式机器人跑得没有相同重量的动物或人快。通过研究我们发现并非因为足式机器人的发动机、电机等设备所能提供的能量的密度，比一般动物的肌肉相关方面的能量密度要低，而是控制能力还不行，所以我们现在研究如何提高足式机器人的控制能力，使其可以达到跑得最快的动物或人的水平。
我们最近有一篇论文刚刚被《自然》的一个子刊接收发表，这篇文章中讨论如何通过改进控制的方法，使得足式机器人可以跑得比原来我们认为可以能够达到足式机器人的水平要快。实际上其中有很多知识是跟动力学和控制相关的。
交叉力学中心四足机器人室外场景的控制器部署. 图片来源：Nature Machine Intelligence
问：您刚刚提及机器人的仿真要跟肌肉类比，所以是不是也涉及交叉中的刚柔？
答：我们专门又研究过了软体的机器鱼。我们交叉力学中心去年有一篇关于软体机器鱼的文章作为封面论文的形式在《自然》上发表。我们把没有任何保护的软体的机器鱼，放到了水深10,900米的马里亚纳海沟底部。在此过程中没有任何保护，并非我们现代探测时外面有一个很坚固的壳给它保护着，体现了以柔来负重的一个设计思想。
发表在《自然》封面的研究成果 图片来源：Nature
问：在其他领域，中国科学家还有什么重磅的成果吗？
答：我们还有一个叫层次交叉，我们最近做了两项工作，一项工作是我们和燕山大学的田永君院士的团队一块合作，把金刚石的长矛做得非常细，纳米尺度金刚石的长矛的强度可以达到120几个GPa。关于强度我给大家一个概念，现在一般讲超级钢是不到一个GPa，一个GPa就是超级超级钢，可以做到125个GPa的强度。
再举一个例子，如果把很纯净的水采取某种处理，然后加电场，它可以生长出冰单晶。冰单晶的直径可以小于一微米，只有几百纳米。大家知道冰是很脆的，但是通过这种方式生成的冰可以变形10%，弯曲成直径几十微米的一个圈也不会碎。
这项工作已经发表在《Science》上。这项成果可以被应用于一些很寒冷的地方的光导纤维，这些冰纤维同时具有很好的光导特性。这项工作是我们跟光学的研究工作者共同完成实现的交叉。光学工作者比较关心的是通过光的性能，我们发现它通过各种波长的光，各种可见光都比现在用的光导纤维效果要好，而且还能应用在很冷的环境中。
研究团队生长的直径均匀的冰单晶微纳光纤 图片来源：浙江大学交叉力学中心官网
激发学生兴趣，院士有妙招
问：您一直工作在教学一线，对比您1985年刚开始教学时，现在给00后的学生教授知识有什么变化吗？您怎么看待教书与科研这两件事的关系？
答：年轻人往往都很有思想，只不过他暂时不是特别熟悉相关的知识。现在这些00后的年轻人在上课的时候，跟80年代的学生完全不一样。
现在的年轻人上课时，他听你讲的东西，如果他认为不是太重要或者不是那么新鲜，他一般听你讲完回去就算了。如果他觉得你讲的东西好像挺新鲜的，他会马上拿出手机进行搜索，看看他搜索的内容和你讲到的内容是不是相一致。如果一致，他说老师讲得还比较靠谱，但是也没有超过网上可以搜索的范围。如果他认为你讲的东西网上可能没有，你讲的已经超出了网上范围的话，他就会对你很敬佩。现在是这样的一种学习环境。
我曾经听很多人跟我讲：“有了手机以后，有了网络以后，年轻一代的思维能力、分析能力就更加平面化，在深度方面的耕耘可能就不够”。实际上，主要是看你的问题对他的启发性，以及能否激起他的好奇心，这是给年轻人教学的一个关键。
我现在每年给大一新生上一门叫力学导论的课。以前我们力学没有给一年级上的课，全是给二年级、三年级或者更高年级上课。这次就尝试把力学作为一门通识课，所以我的力学导论经常有几百个学生上，而且有一些还是文科学生。要激起文科学生的兴趣，实际上还是很有挑战的。
在教学的过程中，尽管学生是“小白”，但是只要让他对科研产生兴趣，他是很有兴趣听的。你讲的内容要能够说明在教学上的一个观点或者一个问题，他就会很感兴趣。
浙江省委书记袁家军为浙江科技大奖获得者杨卫颁奖 图片来源：Xmech
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