“一沙一世界”，在王剑锋的科学世界中，每一颗看似“渺小”的颗粒材料都承载着微观的和宏观的力量。

　　它们如同宇宙中的星辰，各自闪烁着独特的光芒，而每一粒都可能隐藏着与我们生活息息相关的秘密。　

——记香港城市大学建筑与土木工程系教授王剑锋

黄雪霜  曹笑轩　　

　　在同济大学的梧桐树下，王剑锋曾仰望星空，心中充满了对未来的无限憧憬。那时的他，还未曾想到，自己有朝一日可以在颗粒材料的宏微观世界中往来穿梭，揭示和发现颗粒物质的奥妙。

　　王剑锋的科研旅程，就像是一条渐走渐清晰的路径。从一个对未来迷茫的懵懂青年，到单纯研究离散元模拟的初学者，再逐渐蜕变成一个以X射线计算机断层扫描（CT）、人工智能（AI）等现代先进科学技术为“武器”，进行精细实验表征和数值模拟，揭示颗粒物质深层次奥秘的国际知名学者，其间，也遭遇过波折，也经历过磨难，所幸，他有足够的韧劲、耐心和乐观的心态来一一应对，这才有了他如今的累累硕果：

　　20年来，王剑锋先后利用X射线计算机断层扫描（CT）、离散元法（DEM）模拟和机器学习方法探索宏观土壤行为背后的多尺度物理和力学，所做的工作包括岩土材料微观结构和微观形态的X射线CT表征、可碎砂基本土壤行为的DEM建模和分析及其在各种岩土工程问题中的应用，例如桩基础、边坡稳定性和支护结构等。近年来，他还开发了新颖的模式识别技术，利用实验土力学、人工智能和计算机视觉技术的跨学科方法来跟踪CT砂样本中破碎和未破碎的砂粒。就像是在颗粒世界中绘制一幅幅精细的追踪地图，通过这种巧妙的技术研究，不仅可以在土木工程领域预见并防范自然灾害，如地基塌方、边坡失稳、泥石流，甚至火山喷发和地震等，甚至还能突破传统土力学的边界，利用颗粒材料的共通性，将其规律应用至微塑胶污染、化工、冶金和制药等研究领域，为这些行业带去革命性的突破。“颗粒材料曾被《科学》杂志列为全世界最前沿的125个科学问题之一。”仰望星空，脚踏实地，王剑锋的科研之旅还在不断向前延伸……

从同济走向世界，致广大而尽精微

　　1925年，卡尔·太沙基的专著《土力学》问世，宣告土力学作为一门完整而独立的学科诞生。尽管土力学科研究的历史相对较短，但自20世纪八九十年代起，研究学者们开始将焦点转向土体的微观行为，这种转变代表了对土体更深层次理解的追求，是对土力学基础研究的一次重要深化。他们开始运用CT实验、DEM、多尺度模拟等先进技术，从微观到宏观探索土体的复杂行为。这些方法不仅推动了土力学的发展，也为解决实际工程问题提供了新的解决方案。

　　彼时，王剑锋还是一位刚经过高考走到人生十字路口的青年。他对自己的评价是“很长一段时间对未来的规划都是稀里糊涂的”。他曾梦想成为一名建筑学家，而同济大学的王牌专业——建筑学是他心中的首选。没想到因为高考没发挥出自己的最佳水平，他与建筑学擦肩而过，却“阴差阳错”地踏入了同济大学地下建筑与工程系的大门。当时这一专业下设建筑工程和岩土工程两个方向，王剑锋所学是建筑工程。

　　20世纪90年代，土木工程迎来了它的黄金时代，中国的大地上，一座座高楼拔地而起，一条条道路纵横交错。王剑锋所在的系，很多岩土工程的师生参与基坑工程颇有一番成就，成为后来者流传的佳话和奋斗的动力。王剑锋也开始对相关专业有了更深层的了解和建立了探索欲望。

　　本科毕业时，原本无意科研的王剑锋已经找好了一份收入不错的“铁饭碗”工作，但因为觉得“一定要试一试考研”，于是，那一年深秋，当同济大学校园的参天梧桐树叶黄，散落学校四处，王剑锋和他的挚友、同寝室的兄弟（也是未来同济大学的教授），一起开启了他们难忘的拼搏历程。每天，他们都会在自习室里埋头苦干，直到夜深人静。从自习室回寝室的路上，两人会漫步学校大礼堂前的主干道上，梧桐叶落，铺满道路，走过时叶子在脚下沙沙作响，他们仰望着星空一起讨论。那些夜晚，星空下的梧桐树见证了他们的拼搏和努力，也聆听了他们对美好未来的憧憬。考研的艰辛历程最终得到了回报，王剑锋最终成功进入朱合华院士的课题组，成为朱老师最早的一批研究生。

　　彼时朱合华老师刚从日本回国，意气风发、踌躇满志，是同济大学地下建筑与工程系中青年学术骨干。他带着满腔的科研热情和最前沿的学术视野，已经开始关注数字地层、地理信息系统（GIS）和人工智能算法等前沿的学术课题。“只可惜当时的自己没怎么开窍，心思也没太用在科研上。”王剑锋笑着揶揄自己。

　　硕士毕业，王剑锋看到班里不少同学在准备考留学研究生入学考试（GRE）、考托福，计划申请赴美留学，“我当时觉得还挺有意思的，这应该是‘人间正道’，所以也跟风准备考试”。2001年暑假，王剑锋踏上了前往北京的列车，加入新东方的备考大军。那里的学习氛围如火如荼，每个人都在为自己的梦想挥洒汗水。经过几个月的紧张备考，王剑锋在最后考试时竟考出了2360分的高分（满分2400分）。这个成绩让他自己都感到惊讶，对申请留美也充满了信心。来年，他果然收到了弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech）的全额奖学金邀请，那里的土木工程专业，特别是岩土工程方向，国际闻名。王剑锋毫不犹豫地接受了这个机会，自此踏上了赴美的旅程。

　　2002年，王剑锋跨越重洋，来到美国弗吉尼亚理工大学开启了他的博士生涯。刚到这里，他就被国际一流学者在基础研究领域的风范和水平深深吸引。难忘在上岩土工程领域的名家大师、美国工程院院士——迈克尔·邓肯（Michael Duncan）教授的课时，他感受到了教授严谨的治学态度、深刻的学术见解。邓肯教授不仅在课堂上传授知识，也通过引导学生阅读大量领域内名家大师的文献，带领他们深入了解岩土工程的前沿问题和研究动态。在阅读这些文献的过程中，王剑锋注意到：尽管中国学者在这一领域耕耘已久，也不乏名家大师，但与国际同行相比，名字和作品出现的频率“低得可怜”。这种感受在他未来的学术生涯中，默默地激励着他不断前行。

　　在美国弗吉尼亚理工大学，王剑锋很幸运地遇到了他的两位恩师——美国人约瑟夫·多夫（Joseph Dove）教授和菲律宾人马尔特·古铁雷斯（Marte Gutierrez）教授。正是在他们的引导之下，王剑锋走入了颗粒材料的研究大门。多夫教授，以其细致入微的关怀，如同慈母般，频繁与王剑锋会面，关照着他研究的每一个细节。而古铁雷斯教授则像慈父一样，从宏观上指引研究方向，为王剑锋的学术之路提供智慧的指引。在两位导师的精心培育下，王剑锋的独立研究能力得到了充分的锻炼，他逐渐在科研的道路上稳健前行，绽放出属于自己的光芒。

　　博士二年级时，王剑锋加入两位导师的研究项目，专注于粗粒土与结构面接触面的离散元模拟研究。如果说在博二以前王剑锋对科研这条道路的规划还是“稀里糊涂”的，如同被笼罩在一层朦胧的迷雾中，那么在博士三年级后，他在科研的沃野上意外发现了自己的一片绿洲。当他的第一篇文章投给《岩土工程》（Géotechnique）——领域备受瞩目的国际期刊时，他并没有抱太大的期望。令人惊喜的是，他收到了非常正面且支持性的评审意见，文章在半年后顺利发表。相关成果不仅为他树立起了科研信心，也为他后续的工作奠定了坚实的基础。

　　随后，王剑锋的文章像破茧的蝴蝶，一篇接一篇地陆续发表在多个主流期刊上，博士生涯因此显得格外顺利和流畅。正是因为在博士阶段的出色表现，古铁雷斯教授向他伸出了橄榄枝，邀请他继续作为博士后留在实验室。从那时起，王剑锋顺理成章地踏上了追寻学术的道路，开启了他的科研新篇章。

从海外至城大，开启颗粒追踪数字研究大门

　　2008年，金融危机的阴霾笼罩着全球，教职岗位稀缺如金。在一次面试后，香港城市大学（以下简称“城大”）迅速向王剑锋伸出了橄榄枝。虽然起初对这所大学当时的实力和规模有所犹豫，但王剑锋很快就认定，这里将成为他科研梦想腾飞的地方。在时任校长郭位教授的领导下，城大如同一艘快速行进的大船，排名在几年后迅速上升了将近几十位，跻身世界百强之列。

　　王剑锋的科研之旅也随着城大的蓬勃发展越走越顺畅。他从单纯的离散元模拟研究初学者，逐渐成长为一个以CT实验为基础的精细实验表征和数值模拟的国际级专家。这一转变，离不开他前同事马修·库珀（Matthew Coop）教授（原帝国理工教授）的指导和引领。正是在他的牵引之下，王剑锋在2012年进入CT研究领域，研究单颗砂粒的破碎行为，从此之后便“一发不可收拾”，在十余年间接连开展了十多个香港研资局和国家自然科学基金项目，其中大多数都属于具有重大科学价值的基础研究。

　　2016年，王剑锋带领团队依托CT扫描技术，细致地完成了试样中所有颗粒的一对一映射，并构建了精细的离散元模拟。在这一过程中，每一个颗粒的真实形态都被精确捕捉并复现，形成了它的“数字孪生体”（digital twin），这在以往的研究中是未曾实现的。这一成果不仅精确复制了颗粒的物理特征，更在数字领域为它们赋予了新的生命，为颗粒材料的深入研究提供了一种全新的视角和方法。

　　2020年，王剑锋和他的科研团队又一次站在了创新的前沿。他们以CT试验和精细离散元模拟所积累的丰富数据库为基础，采用深度学习这一强大的工具来预测试样内颗粒间的接触力。这一研究不仅具有创新性，更在颗粒材料的研究领域中具有重要意义——因为以往的实验技术无法直接测量颗粒间的接触力，而它正是阻碍研究者完全理解颗粒材料的“最后一道屏障”。

　　在过去的5年里，王剑锋和他的团队取得了一项突破性的进展——颗粒追踪技术。这项技术的核心在于利用点云特征描述和深度学习算法，来精确识别和匹配砂土中的每一个离散颗粒，其中包括具有不同形貌复杂度和微观结构的不同地质成因的多种砂土。就像是给每一颗砂粒都打上了“独一无二的标签”，让他们可以做到在完整的CT扫试样中，精准地追踪所有或绝大部分的颗粒的一举一动，无论它们是完好无损的还是已经破碎。这项技术的创新之处在于为颗粒材料微观行为和力学机理的研究提供了前所未有的工具和方法。可以将其比作一种比人脸识别还要复杂的技术——“砂脸识别”。它不仅能够识别每一颗砂粒，还能追踪它们的运动和变化。

　　在最近的一项研究中，王剑锋和他的研究伙伴们更是将颗粒追踪技术与数字图像体关联技术（DVC）相结合，应用于砂土与黏土的混合物。这一创新使得科研人员能够精准计算这种离散-连续介质的三维变形，就像是在显微镜下观察砂土和黏土的微观世界，能够看到它们如何在压力下变形，如何相互作用。这项研究的意义不仅在于它为颗粒材料的力学研究提供了全新的方法和技巧，更在于它为研究人员理解自然界中的地质现象，以及在工程领域中设计更安全、更耐久的颗粒材料结构，提供了新的视角和可能性。这是一次对传统研究方法的颠覆，也是一次对科学边界的拓展。

　　岁月如梭，如今，王剑锋在香港城市大学已辛勤耕耘了十六载。回望这段岁月，仿佛经历了一场漫长而充实的马拉松。一路走来，数十年如一日的艰苦奋斗，终有所成但也颇有曲折，可以说是酸甜苦辣尽尝遍。

　　在王剑锋的科研生涯中，最刻骨铭心的挑战莫过于两次申请终身教职（tenure）被拒，接连受挫一度让他怀疑人生。那两年可以说是王剑锋人生最低谷，身体状况也很糟糕，“毫不夸张地说，有好多次我都准备竖着进教室，横着出教室”。然而，也许是“劳其筋骨、苦其心志”的体验磨砺了他的意志。王剑锋庆幸自己在那段最黯淡的日子里，没有消沉和放弃，而是重新鼓起勇气坚毅地前行，真正做到了卧薪尝胆，东山再起。“我最终花了9年时间才拿到了终身教职。现在回头看这一段经历，无疑是上天给我‘最宝贵的财富’，让我获得跌倒后重新爬起来的能力和信心，真正相信了那句‘天将降大任于斯人也，必先苦其心志，劳其筋骨’。”自此，王剑锋深刻体会到坚持与勇气的价值，让他在未来科研的道路上更加坚定和从容。目前，他和团队正致力于一系列创新研究，这些工作不仅涵盖了全场颗粒追踪技术的精进，也包括开发针对土体混合物的新型数字图像体关联技术、土体侵蚀的CT试验和离散元模拟、采用深度学习创建颗粒土的本构模型等。这些研究无一例外地属于交叉学科的前沿，旨在融合多学科的方法与技术，深入探索颗粒材料的物理力学之奥妙。这些工作不仅与时俱进，更是数字科技革命时代精神的体现，展现了科研工作的时代特色。

从一个人到一群人，共同践行颗粒研究梦想蓝图

　　“跟很多其他领域一样，AI技术正在快速渗入土木工程领域，即便是我所在的基础研究领域也未能例外。随着数字化技术和人工智能的飞速发展，岩土工程及其基础研究领域或许在不久的将来也会迎来革命性变革。在这一大趋势之下，我下一步的探索重点可能会是颗粒材料系统的数字孪生体系的研发与应用，有了这个平台，我们将来完全用这个工具来做虚拟实验就行了。”跟袁隆平院士有个禾下乘凉的梦想一样，王剑锋也有个关于自己科研领域的终极梦想：“如果计算机的算力足够强大，有朝一日我们或许可以坐在家里就能精准地设计和计算所有的岩土工程设施。不仅是建筑的设计，我们还能更精准地预测大自然的颗粒体系事件，比如地基塌方、边坡失稳、泥石流灾害，甚至火山喷发或是地震海啸等。这将是一场真正的革命，让我们能够未雨绸缪，防患于未然。”

　　有梦就有动力，让王剑锋感到高兴的是，他的身边，如今已经聚集了这样一群志同道合的人，虽然团队规模不算很大，但所有人都愿意在一起为着梦想而打拼。“我很庆幸有缘拥有这样一批非常优秀的青年学生，包括最初的赵卜蒂、周博，到中期的程壮、武猛猛，以及近期的熊威、夏张琦和朱志仁等，他们每一位都在博士期间作出了非常重要且独到的贡献。更重要的是，他们之间有很好的默契与合作精神，一步一步合力实现我们的研究构想和蓝图。”每每谈起这些学生，他的眼里总是闪烁着自豪的光芒。

　　对教书培育新人这份责任，王剑锋看得很重，每一年，他都肩负2到3门的课程，致力将颗粒材料的前沿研究理念、方法和成果融入传统的土力学和岩土工程课程中，培养具有扎实理论功底和前瞻思维的未来岩土工程师和科学家。他常常以自己的经历为引，鼓励年轻学子要在科研的沙漠中寻找自己第一片绿洲，培养对探索的热情和耐心；教导他们选择充满潜力的科研道路，拓宽视野，俯瞰整个学术领域的壮丽山河。他强调快速学习与终身学习的重要性，要求学生一定要打下坚实的数理化基础，将知识融会贯通，运用自如。他还常常提醒学子们提升英语水平，“这是跨越学术海洋，与世界交流的风帆”。“科研之路充满挑战，唯有坚忍不拔的意志和强大的内心，才是通往成功的不二法门。”当年的学子历经风霜成长为循循善诱的导师，只想把自己亲身经历收获的感悟和经验都授予后辈，像传递火炬一样，照亮他们前行的道路。

　　闲暇时，王剑锋也有自己的兴趣爱好——运动、美食和旅游。在他看来科研的灵感往往潜藏在生活的缝隙之中。在假期的闲暇时光，他喜欢让自己的思绪随风飘扬，无论是在飞机上的一次电影观赏，还是在山间小径的徒步旅行，或是在乡间小路上的骑行，他总能在这些放松的时刻捕捉到思维的火花。有时候，一个突如其来的想法就像流星划过夜空，照亮了他的研究之路。他记得，与爱人恋爱的美好时光，也见证了他科研上的一次突破——一个灵感的闪现，让他迅速回到实验室，短短几个月就将想法转化为了成果，并获得了一项世界大奖。