美國國家工程院院士、中國工程院外籍院士黃鍔：非線性研究方法是中國高端產業革命面臨的重大科學機遇

青島的應用從“海浪”走向“腦電波”

人物小記：

黃鍔，美國國家工程院院士、中國工程院外籍院士，美國航空航天署（NASA）前首席海洋科學家，在數據分析領域造詣深厚、享譽國際，先后被授予“美國服務貢獻獎”“美國航空航天署（NASA）年度發明家獎”，并多次榮獲“NASA杰出太空法案獎”。

1998年，黃鍔創建的HHT數據分析方法被廣泛引用于氣候變化、重大設備安全檢測、醫藥等諸多領域，單篇文章被引用2.2萬余次，被美國航空航天署譽為“NASA歷史上應用數學領域最偉大的發現之一”。

2016年，黃鍔又原創性地建立了針對非線性相互作用數據分析的理論與方法——高維全息譜，目前已應用在海洋湍流研究、腦科學、助聽設備、橋梁和高鐵安全診斷等領域。

核心觀點：

沒有科學支撐的創新是一個個“點”，最多能連成一條線；有科學支撐的創新才能匯聚成一“面”，可以發展成一個真正的“時代”和一個大的產業。

與線性研究方法完全不同，非線性方法意味著高維，蘊含了巨大的信息。傳統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“千變萬化”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，美國工程院院士、中國工程院外籍院士黃鍔應邀來青，在中國-上合組織技術轉移中心由市科技局組織的生物醫藥沙龍上擔當主講嘉賓。

沙龍上，現年84歲高齡的黃鍔院士圍繞“腦科學”這一主題，進行了近一個半小時的分享，詳細闡述了其關于非線性研究方法的科學突破，并進一步分享了該研究方法在腦科學、生物醫藥、海洋、全球氣候變化、重大設備安全檢測等領域的拓展性應用，為與會人員描繪了一幅通往非線性研究和產業化的宏偉藍圖。

有科學支撐的創新，才能匯聚成一個“面”

在演講的開篇，黃鍔從全球發展現狀入手，探討了科學與創新的辯證關系。“在當今時代，‘創新’是無處不在的話題。”他說。

黃鍔先“拋出”了“李約瑟難題”的例子——英國學者李約瑟在其編著的15卷《中國科學技術史》中提出，“盡管中國古代對人類科技發展做出了很多重要貢獻，但為什么科學和工業革命沒有在近代的中國發生？”

對這一難題，黃鍔給出的答案是：中國的發展史上有很多技術發明的創新，但這些創新缺乏物理、數學、化學等領域科學原理的支撐。換句話說，中國科學發展的根基是十分薄弱的。

“沒有科學支撐的創新是一個個‘點’，最多能連成一條線；有科學支撐的創新才能匯聚成一個‘面’，可以發展成一個真正的‘時代’和一個大的產業。”黃鍔說，這就是非線性思維研究的邏輯起點。

對此，黃鍔給出了一個淺顯的類比——沒有科學支撐的創新，就像是淘寶上隨處可見的一個個小產品，它們或許有局部創新，但難成“氣候”。

與此相對，上個世紀五六十年代，威廉姆·肖克利與約翰·巴丁、沃爾特·布拉頓共同發現了半導體，并因此獲得了諾貝爾物理學獎。在這項“科學”成果的支撐下，半導體、集成線路、晶片等逐漸在美國實現了商業化，也因此才造就了加利福尼亞州今天電子工業密布的硅谷地區。這就是科學支撐下的創新，造就了一個“硅谷芯片時代”。

黃鍔說，當前，在全球發展的新格局下，中國面臨著科學史上的新機遇——非線性科學的發展。“我們現在已經掌握了從線性的約束模式中解放出來的非線性的科學，它應該為新階段產業和經濟發展賦能。”黃鍔說。

非線性研究方法，以“乘法”思維拓展信息量

1998年，黃鍔創建了希爾伯特-黃數據分析方法，又稱為HHT數據分析方法，打破了線性研究的束縛，開啟了非線性研究的時代，并進一步建立起了高維全息譜這一非線性數據分析的研究工具。

沙龍現場，黃鍔表示，在取得非線性研究成果之前，國際上“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“加法”的形態展示。

打破這一傳統研究方法，黃鍔的靈感來源于海洋研究。“海浪就是非線性的、非平穩的，這類自然現象如果依賴線性方法進行研究，就會產生結果偏差。”

“與線性研究方法完全不同，非線性方法意味著高維，蘊含了巨大的信息。”黃鍔說，“傳統線性分析方法是做加法，而非線性分析方法就是做乘法。”

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比為條形碼和二維碼——與“千變萬化”的二維碼信息量相比，前者所含的信息量明顯要低得多。“條形碼只能應用于一個商場內的貨物，而二維碼可以應用到14億中國人。”他說。

與會者跟著這個比喻進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域更加“包羅萬象”，新的非線性研究方法揭示出來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”

事實上，這種非線性的研究方法已經在青島“擅長”的海洋和臺風預報等領域開展了成功應用。

黃鍔說，之前國際上對臺風強度預報的主要表現為對強臺風預報偏弱、對弱臺風預報偏強，這一點在過去幾十年間幾乎沒有科學進展，這與學界一直以來缺乏對海洋與大氣界面精細物理過程的科學認知不無關系。

針對這一國際難題，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隊合作攻關，揭示了海洋湍流這一世界難題的本質，在這一國際前沿取得重大突破。

在非線性思維的引導下，團隊將更多“細節”納入了研究范圍。比如，波浪破碎產生的飛沫可以大幅度增加海洋與大氣之間熱量通量，這也是復雜的湍流過程。

黃鍔說，了解了這些因素，我們對臺風強度的預測偏差便大大減小，預報能力提高了約30%，在臺風預測領域取得了科學的重大突破，實現了全球領跑。

與海浪一樣，腦電波同樣具有非線性、非平穩特征。因此，黃鍔將顛覆性的非線性研究方法應用到腦科學研究中也是“順理成章”。

“通過非線性定量分析方法，我們可以從腦電波的信號中精確、定量地提取出關鍵信息，在國際上首次實現了對抑郁癥、失眠癥、小兒多動癥等疾病進行定量診斷，在此基礎上逐步實現干預性前期治療，這具有跨時代意義。”黃鍔說。

怎么實現呢？黃鍔圖文結合給與會人員講解道，當用高維全息譜將腦電波“展開”呈現的時候，人腦中更多細節將會“無所遁形”，科學家就可以更加精確地抓取到致病元兇。

據悉，從非線性數據分析理論與方法出發，黃鍔團隊已經研發出多類“物理藥品”，可針對老年失智、抑郁、失眠、多動癥、記憶力減退等進行定量化診斷。

院士成果要轉化，青島搭建了平臺

不僅是海洋、腦科學領域，非線性研究方法也可直接應用到飛機、橋梁等的定量化安全檢測，在助聽器研發和生產等醫療領域也大有作為。

“世界上約有10%的人需要助聽器，但其中只有40%的人會去購買；而購買的人群中，又有60%的人會放棄佩戴助聽器。這是因為，現在的助聽器佩戴后并不‘舒服’。”黃鍔說，“而且，高端助聽器主要依賴進口。”隨后，黃鍔以一組詳實的數據勾畫了助聽器這個產業的現狀。

“不好用”的原因在于，市場上現有的助聽器都是基于運用“加法”的傅立葉數據分析進行研發和生產，通過簡單的線性研究方法無法精確過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”。

現場，黃鍔通過音頻分析圖和音軌播放結合的方式向大家展示了團隊用新原理成功研發出的助聽器。這款產品讓佩戴助聽器的人可以感受到正常對話的“聲音”，實現了高保真。

這樣的醫療器械正在尋找市場推廣之道。青島這場科技沙龍就是為院士成果進入市場搭建了平臺。

沙龍現場，既有海信醫療、百洋智能科技、海爾生物醫療、簡碼基因、鵬鋒誠醫療等本地生物醫藥產業領域的知名企業負責人，也有來自齊魯醫院、青大附院、青島市立醫院等本地醫療機構的專家代表，大家都期待在醫療領域借力黃鍔發明的非線性理論和方法，開展深入合作。

齊魯醫院副院長、青島院區院長焉傳祝激動地說，他們已經與黃鍔院士團隊開展了深度合作，“黃鍔院士的非線性理論與方法是一項顛覆性創新，可為醫療領域帶來一場革命。”焉傳祝說，“腦電圖從上世紀七十年代就開始應用，但半個世紀以來國內外幾乎沒有技術進展，黃院士的非線性研究方法讓這個領域實現了重大突破，展示了更加廣闊的醫學應用前景，我們的合作已經取得了實質性進展。”

當然，不得不提的還有北京中關村醫學轉化中心主任趙大權。趙大權此次是慕黃鍔之名，特地從北京趕來參加沙龍的。在討論環節，他介紹，中關村醫學轉化中心已初步構建了集技術、人才、產業、資本為一體的科技創新創業生態系統，包括醫學工程轉化服務平臺、國際檢驗檢測認證服務平臺、醫藥創客平臺等三大平臺。

這引起了黃鍔的高度興趣，他與趙大權現場討論成果推廣應用的途徑，趙大權當即承諾，將為黃鍔對接專業的技術成果轉化服務。

一場沙龍讓青島見證了黃鍔的非線性理論創新的無窮魅力，也傳遞出這位“老院士”對祖國高質量發展的傾心關注。

“全球前十名的醫療設備生產商中沒有一家中國企業，他們都采用線性研究方法生產設備，就能獲得非常高額的‘溢價’，如果我們能夠以非線性方法深耕相關領域，是不是可以找到在醫療設備領域實現彎道超車的機會？”黃鍔期待地說。

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