作者:韩锋 曹文翰 来源:中国科学报 发布时间:2017/6/12 10:04:59
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工程流体力学家康振黄:让生命之花灿烂

康振黄

康振黄(1920— ),工程流体力学家、生物力学家,我国早期生物力学的开拓者之一。1931年进入山西太原平民中学学习。1938年,考取中央大学(今南京大学、东南大学)航空工程系。1942年大学毕业后,进入中国滑翔总会中央滑翔机制造厂从事技术工作。1944年受聘中央大学航空系任教,担任著名的空气动力学、流体力学专家柏实义教授的助教。提出了一种新的减小飞机颤振的理论分析方法,1947年获得国防科技研究奖。1947年考取美国纽约大学研究生院继续航空动力学的深造,取得硕士学位。回国后,1949年10月,受聘西南工业专科学校教授兼航空工程科主任。1952年9月,在全国高校院系调整中调入四川大学,工学院独立后,任成都工学院院长、教授,从事航空学、流体力学的教学和研究。1978年后转而从事新兴交叉学科生物力学的研究,领衔建立了我国最早的生物力学实验室,是我国首批生物力学学科硕士、博士生导师之一。1982年任成都科技大学副校长。为成都印染厂研制成功气体烧毛机双喷射式火口,1983年获国家发明三等奖。在生物力学领域于心脏瓣膜研究中取得三大具有开拓性的成果——在国际上首次创立心脏瓣膜流体动力学新学科;提出双叶翼型人工心脏瓣膜的设计思想和原理并据此研制成功人工心脏瓣膜;提出新的人体心脏瓣膜的关闭理论。1983年被遴选为中国生物力学专业委员会主任委员,同年当选四川省副省长。1986年被国际生物力学学会遴选为世界生物力学大会指导委员会委员,同年当选四川省科协主席。1988年当选四川省人大常委会副主任,同年当选民盟中央第六届委员会副主席。1993年当选全国人大常委会委员。1999年退休。2000年被美国纽约科学院遴选为院士。2002年担任民盟中央名誉副主席。

■韩锋 曹文翰

一、志在航空救国

康振黄1920年6月出生于山西省五台县。1931年考入太原平民中学。1937年暑天高中毕业后,他怀着美好的憧憬,准备乘火车去北京报考大学,不料“卢沟桥事变”爆发,打碎了他的梦想。他和家人汇入了逃难的人流。1938年,在南下流亡途中,康振黄参加了中央大学(今南京大学、东南大学)①在武昌招生点的考试,考取航空系。康振黄入读中央大学以后,全家也在重庆定居下来。在国难当头之际,有一个读书的地方,是他最大的愿望。怀揣着航空救国的理想,顶着日军频繁的大轰炸,他在重庆苦读4年。在学习中,由于受到航空系柏实义等一批新秀教授的影响,他对空气动力学产生了浓厚兴趣。在那里,打下了坚实的理论基础,为他日后从事应用力学的研究奠定了基础。

1944年在中央大学航空工程系任教期间,在著名的空气动力学、流体力学专家、导师柏实义的指导下,康振黄针对飞机由于速度增大引起的翼面稳定性问题而发生事故的情况,根据空气动力学原理,提出了一种新的减小颤振的理论分析方法,应用于飞机设计过程中,据此撰写完成了他的第一篇论文《飞机翼面飘动之研究》(Flutter,早期译为“飘动”,现译“颤振”)。这项研究成果后来在中国工程师年会上发表,获得国防科技研究奖。由此他初露才华,引起了航空界的重视。

1947年12月,康振黄辞去大学教职,卖掉了在太原的一所祖产作盘缠,赴美国纽约大学研究生院继续航空动力学的深造。在那里,他一面进一步深入对空气动力学和飞机结构的学习,同时选修新开设的燃气涡轮机和火箭飞行理论。纽约大学资料丰富,学术交流活跃,扩大了他的学术视野,对他以后从事研究工作影响很深。1949年1月毕业取得硕士学位后,他立即回到祖国。

1949年10月,康振黄受聘西南工业专科学校任教授兼航空工程科主任,从事有关航空工程的教学和研究工作。1951年3月,在全国高校院系调整中,西南工专航空科并入四川大学航空系,他随之调入四川大学,但该校航空系随即调入北京航空学院,他只身被留在了四川大学,任工学院院长等职。

没有了航空专业,康振黄一面转而讲授工程力学方面的课程,一面做行政工作。但他放不下钟爱的航空事业,在工作之余,他连续翻译出版了3部国外著名的火箭方面的专著,于1959年起陆续出版,其中的一些重要内容曾被国内知名学者引用。

二、瞄准国际新兴边缘学科

1978年国家实行改革开放以后,国外新的研究领域和研究成果不断传递进来,当时已年近六旬的康振黄壮心勃发,十分珍惜这来之不易的大好机遇,潜心研究和思考国际最前沿的研究领域和方向。他把眼光定格在不同学科之间的交叉与融合,瞄准了国际上刚刚兴起的生物力学这个边缘学科。他对同事们说,我们就去找那个世界前沿的,人家没有解决或正在解决的,我们就搞这个,不能去跟着人家的后面走。

现代生物力学大约起源于上世纪60年代末。1967年召开了第一次国际生物力学学术讨论会。1973年成立了国际生物力学学会,标志着生物力学学科的正式建立。

选准了研究方向以后,康振黄采取了在当时非同寻常、具有开拓性的举措来推动这门学科在中国的研究与发展。他组织开展科研攻关,在队伍的组建上,实行自愿组合,来去自由,靠事业凝聚人心。校内外一批有志于献身新学科的研究人员,纷纷投身其门下。系党总支副书记陈君楷等几位力学系教师率先响应参与进来。紧接着,生物材料、化工机械、心外科、基础医学、计算机的有关研究人员陆续地汇聚到这里。这是一个综合性、多科性的理、工、医结合的课题,他们是我国较早使用计算机来进行实验控制和数据处理的研究团队。

在校内,他组织工程力学、高分子材料、化学工程、电子技术系实行了跨系、跨学科的横向联合;在校际,他联合省内的大学、研究所,进行联合攻关,广邀有关大专院校的理、工、医学工作者为这门学科的发展献计献策。特别是与毗邻的华西医科大学以吴和光教授为首的生理学、胸外科、骨科、口腔科的医生合作,在两校之间建立了“生物医学工程联合研究委员会”,开展了紧密型的理、工、医跨校、跨系、跨学科的生物医学工程联合研究。以此为基础,与他们建立了长期稳定的合作关系。这在20世纪70年代末、80年代初来说,是极为罕见的。

他山之石可以攻玉。康振黄还把视野投向了国外,他极为重视与国际同行的学习和交流。1979年末开始,现代生物力学创始人、美国加州大学圣地亚哥分校教授冯元桢率先来到中国,推动了生物力学研究在中国的起步。随后,美国著名生物力学家毛昭宪、黄焕常、Huiskes等先后来成都访问,康振黄与他们进行了广泛的学术交流。他还同欧洲、日本在生物力学研究方面走在前列的同行建立了广泛的学术联系。短短几年间,国外来校讲学和访问的生物力学专家达30余人次,他们在教师和研究生培养、实验室建设、图书资料等方面给予了很大的帮助。1981年,在康振黄、吴和光教授的联系和组织下,以著名生物医学材料专家乐以伦教授为团长的“四川省人工心瓣考察团”到美国访问,广泛地学习、吸收国外的先进经验。同时,这个团队的其他研究人员也经常出席国际学术会议,促进学术交流,派出人员学习,使得他们进步很快。

联合攻关和广泛学习交流的优势很快显现出来,康振黄的研究团队在短短的七八年时间内获得了丰硕的成果:自1979年起,在他的带领下,成都科技大学成为在全国最先建立起相当规模的生物力学实验研究室的大学之一,生物力学学科建设获得了很大的发展,培养出一支有较高学术水平的科研队伍,有的已成为我国目前这一领域的领军人物。开展了生物流体力学、生物固体力学、运动生物力学等多方面的研究,并形成了心血管系统血流动力学,心血管系统人工器官,骨、软组织生物力学及临床应用,生物系统及力学模拟系统的信息、控制与数据处理等多个有特色的稳定的研究方向。承担了10余项国家和省的重点研究项目,完成了一批在国内外有影响的科学论文和成果,先后10余次在国际学术会议上宣读论文。生物力学学科的发展还带动了校内“医用高分子材料”“医用热解碳材料”“人工器官”“生物信息与控制”等多个新兴学科的迅速发展,形成了多学科综合研究和人才培养体系。这些学科在今天仍然是尖端热门,极具发展前景。

经过康振黄等一批中国学者的努力,我国生物力学的研究在起步不长的时间内就获得了惊人的发展,跻身国际先进行列。他还通过出席国际学术会议和参与领导国际学术组织,宣传了中国学者的研究成果,不断扩大国际影响。由于康振黄在生物力学领域所做的富有创造性的研究工作,以及他在中国这一学科领域所起的促进作用,对我国生物力学专业创建所做的奠基性的工作,他成为了国内外公认的中国生物力学学术带头人之一,1983年被遴选为首任中国生物力学专业委员会主任委员。1986年4月,他作为杰出的生物力学学者被遴选为1990年世界生物力学大会指导委员会委员。

三、心脏瓣膜研究三大成果

在生物力学领域,康振黄重点研究人工心瓣。为什么要研究这个课题呢?康振黄曾说,不仅是出于学术上的兴趣,而且也是出于实际的需要,更确切地说,在中国,我们对人工心瓣有了迫切的需要。中国的人口已超过10亿,但迄今有记录的心脏瓣膜置换手术只有1000多例。事实上,更多的病人需要用这种手术来进行治疗。而我国迄今还没有任何一种人工心瓣能够像天然心瓣那样完善。

为了更加精确地模拟天然心瓣,康振黄对于心瓣流体动力学进行了深入的研究。而对于该学科的研究成果,又反过来促使、启发他发现、找到了认识心瓣运动的规律,构成了康振黄对心脏瓣膜研究的三大具有开拓性的成果,这就是:创立心瓣流体动力学这门新的学科,提出双叶翼型人工心瓣的设计思想和原理以及据此研制成功人工心脏瓣膜,提出新的人体心脏瓣膜的关闭理论。

(一)首次提出并创立新学科——心瓣流体动力学。

心瓣流体动力学是上世纪80年代才形成的一门新兴边缘学科分支,它是心血管系统流体动力学领域中形成较晚的一个分支学科。心瓣流体动力学研究心瓣流场中的血液流动及其响应。它的研究目的或作用,一是了解天然心瓣的结构与功能;二是帮助对瓣膜病变及其并发症的诊断与研究;三是指导人工心瓣的研究与开发,尽量做到最真实地模拟天然心瓣。

人工心瓣的研制需要首先建立起用于研究和评价心瓣性能和体外心血管系统的模拟装置。但是别人不会告诉你现成的数据,1983年,康振黄在国外讲学时,被邀请去参观安装有体外循环系统的实验室。作为力学家的他,在仔细观察了装置以后,敏锐地意识到这是一个流体动力学系统。回国后,康振黄从流体动力学理论出发,带领团队在经过艰苦细致的理论探索研究、实验数据分析以后,通过对人工心瓣流体动力学和人工心瓣体外试验模拟循环系统血液动力学的理论分析、数值计算系列实验等研究,取得了突破性的进展。他们从人工心瓣的结构、工艺、构型等几何角度,定量地弄清了控制心瓣最大开口程度和关闭性能的决定因素,发现心瓣几何构型和瓣叶“无量纲”长度是影响心瓣运动和关闭性能的关键,为最优化人工心瓣设计提供了新的科学依据。在心瓣设计上,除根据国际上常用的“安全关闭”“光滑冲刷”和“疲劳寿命”等准则外,该项研究还补充了“完全开放”“构型仿生”和“最佳瓣长”三项新设计准则。提出了以“集中参数模型”为结构主体的模拟循环装置新设计方法和数学列式,并设计制作出人体血液循环模拟装置,其动力学特性优于当时国内外同类装置,为生理病理学基础理论研究和人工心瓣、人工心脏等研究提供了先进的检测和评价手段。该项研究已达国际先进水平。在1987年第二届中、日、美生物力学学术会上及1989年第一届世界生物医学工程与生物物理学术大会上,应邀作学术报告,引起国际生物力学界的重视,并获得国家教委科技进步二等奖。

这些关于模拟心血管系统的理论和实验数据,构成了心瓣流体动力学的体系框架。它为研制模拟心脏瓣膜血液循环系统装置全面地提供了理论依据和精准的数据,这在国际上还是首次。这是专门为人工心瓣构建的流体动力学特殊性的新学科。康振黄早就打算将这项研究成果进行系统整理出版,供国内外同行分享,但由于工作太忙,一直没有实现。还是在一次生病住院时,才在医院的病房里完成了这个心愿。《心瓣流体动力学》是国际上出版的第一部该领域的专著。1991年,康振黄应波兰科学院邀请前往华沙讲授心瓣流体动力学课程。

由于心脏瓣膜系统的基础理论研究的发展,推动了双叶翼型人工心瓣设计思想和原理的提出,这项研究被列入国家“八五”计划重点项目。心瓣流体动力学理论从创立至今,已经过去30年,但它所阐述的基本原理思想,仍然对今天人工心脏瓣膜的研究具有理论指导意义。

(二)提出双叶翼型人工心瓣的设计思想和原理。

自从1960年世界上第一个人工心瓣植入人体以来,人工心瓣的设计和临床应用取得了很大的成功。但是,它与天然心瓣相比,远未达到令人满意的程度。人工心瓣要达到理想的境界,要求一是生物组织及血液相容性好,二是心瓣耐久性好,三是血流动力学性能好,避免引起溶血形成血栓。

当时流行的机械瓣与生物瓣相比,各有特定适宜的应用场合,如机械瓣没有因材料钙化影响功能作用的问题,但需长期抗凝。制作性能良好的机械瓣的关键之一是确定瓣叶的形状。到了上世纪80年代后期,选用的是双叶瓣,至今用的还是双叶瓣。而选用翼型瓣,这是一个很重要的进步。

上世纪80年代初,在研究制作人工心瓣的过程中,学习研究航空动力学出身的康振黄,提出将飞机空气动力学中的薄翼理论应用于人工心瓣设计,将双叶瓣的瓣叶改为微弯曲面型,以替代之前的平板瓣叶。康振黄认为,沉浸于血液流动中的瓣叶与处于亚音速气流中的飞机翼面十分相似,可以考虑将有铰薄翼理论用于研究瓣膜设计中。采用翼型剖面的优点在于,可通过选取适当的翼形几何参数,以满足瓣膜各种血流动力学指标。他们把这种瓣膜称为有铰的双叶薄翼瓣,与机翼类似。这种有铰瓣膜的瓣叶在血液中也具有升力、阻力和力矩,它们均与瓣叶翼型截面的弯度和弦长密切相关。通过选择瓣叶的这些几何参数,可以对瓣膜进行优化设计。这一理论,利用机翼绕流作用来实现瓣叶的“提前部分关闭”,并增大开始回流时的关闭推动力以达到减少回流的目的,既可以保持St.Jude在上世纪80年代创立的双叶瓣的优点,又克服了其缺乏“提前部分关闭”和“回流较大”的缺点,由此开辟了一条“改进机械瓣关闭机制效应”的心瓣流体力学研究的新途径。这种新的机械瓣型——双叶翼型机械瓣的设计方法,为改进人工心脏机械瓣使之较好地模拟天然心瓣的功能,提供了理论指导和实现途径。冯元桢先生称赞“这是空气动力学在生物力学与医学的巧妙应用与发展”。

经过进一步的研究,双叶翼型机械瓣无论是从理论分析、数值计算和体内、体外实验,都证实具有比当时已有的人工心瓣更优的性能,具有良好的应用前景。康振黄等据此试制的这种双叶翼型机械瓣初期样品,经华西医科大学一年多动物实验,于1985年开始应用于临床,到1986年年底,进行了70多例心瓣置换手术,效果很好,达到了国内先进水平,为我国人工心瓣研制,从理论研究到实际应用,迈出实质性创新的一步。

令人遗憾的是,由于心脏的极端重要性,对制作人工心瓣的材料要求高,并且需要精密加工,这直接挑战了上世纪80年代我国加工技艺的巅峰。当时康振黄团队为了加工一个人工心瓣精密的孔,找遍了国内的企业,最后找到一个军工企业才勉强符合要求。这也是为什么当时心脏瓣膜只做了几十例临床,不能批量生产的原因。

(三)提出“综合因素分析法”的心瓣关闭理论。

比起心瓣的开启,瓣膜的关闭运动机制显得更重要,因为它涉及心泵的效率,也涉及回流冲击等问题。所以,研究心瓣闭合过程的动力学现象,成为生物力学的一个重要课题。

一个年届70岁的人,粗略估计,他的心脏瓣膜已经连续不断地开关达70亿次,随着科研、心瓣手术,特别是人工心瓣研究的发展,学者们对于天然心瓣的闭合机理,先后提出过多种不同的理论模型,如“压力梯度理论”“回流关闭理论”和“涡流理论”等。它们对心瓣的关闭机理作出了很大的贡献,也存在很多的争论。因为这些理论都局限于特定的适用情况,而不能普遍适用于天然心瓣关闭的全过程。

为了解决这个根本性问题,上世纪80年代中期,康振黄在研究中发现,对于瓣膜闭合的全过程很难用单一的一种理论给出完全的说明,他们试验一条研究心瓣关闭机理的新途径。康振黄认为,受所有动态力同时作用的瓣叶运动的动态过程都应该加以考虑,而不应该把我们的注意力只限于起因的限定范围。他们尝试一种天然心瓣关闭机理模型研究的简单解析路径,就是基于考虑瓣叶运动的整个动力过程,找出对心瓣瓣叶关闭力矩作用贡献的因素。在分析了各种单一理论各自的缺陷以后,康振黄提出了“多因素全过程综合理论”,即“综合因素分析法”,运用于流体运动的全过程。该理论适用于主动脉瓣流场与运动的全过程。经过解析方法和实验验证,证明这种理论和方法与实际实验完全符合,成为新的心瓣关闭机理与瓣膜运动的研究成果。康振黄还定量地提出了控制心瓣最大开口程度和关闭性能的主要因素,为人工心瓣最优化设计提供了理论依据。

在过去近百年的人生历程中,机遇和厄运似乎都特别眷顾康振黄。面对厄运,他不退缩,不屈服,没有怨天尤人,而是把它当做是对自己信念与意志的磨砺。他总是能凭借智慧另辟蹊径,在现实与可能之间寻找一线生机,不断积累能量。当机遇来临时,他紧紧握住,厚积薄发,勇于突破,脱颖而出,创造一个事业的新的辉煌。他的步履迈得坚定而踏实。他的人生似乎都在不断地证实着那个古老的谚语:是金子总会发光的;机遇总是留给那些有准备的人。

①注释:中央大学后更名南京大学,航空工程系后来调入东南大学。

(韩锋系西南交通大学马克思主义学院讲师;曹文翰系西南交通大学文科处助理馆员)

 

①康振黄在人工心瓣血液循环装置前。

 


 

②1986年9月出席在德国举行的第五届欧洲生物力学学会学术大会期间与冯元桢(右)合影。

③康振黄题词。

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“读书是思想的呼吸”

——康振黄谈读书

我比较喜欢读书。为什么?似乎很难一语道尽,而且不一定能用文字表达完全。求学和工作期间,自然,读书之用比较明确,读的领域也比较确定。不过,也还有读非所用的时候。退休以后,才真正开拓了读书的眼界、胸怀和思路。真是“广阔天地,大有作为”。不可一日无书已成习惯,不可或缺,自己也有点莫名其妙。

不过,似乎可以这样说:书是世界,而世界是迄今还不能离开的,所以书也不能离开;书是思想的结晶,我不能一日无思,故不能一日无书。读书是思想的呼吸,要呼吸就要读书;书是营养,书是慰藉,也是红绿灯、路标。“秀才不出门,便知天下事”,秀才不出门,也有气候感。择其善者而从之,其不善者而改之,也是书之一大用处。这些都还难尽读书之道。总之,人不可一日无书。但是,同样重要的是人还是人,书还是书,可以做读书人、嗜书人,但不是唯书是听的人。书是人的帮手,书不是人的替身。毕竟,人还是“万物之灵”,而不只是“书之灵”。世界、宇宙还大得很,比书更多的事物还多得很,一言难尽,莫测高深。

读书能促进思想活跃,能激荡思考。读书不但是“输入”,而且有“输出”,关键在于判断。读书少,见识面窄,固然难以正确判断。读书多,立论迥异,都似有理,判断也难。

谁找谁——是读者找书来读,还是书找读者来读?说不清楚。一般情况下,当然是人找书来读。但是,多读书,就会发现好像“一花引来万花开”,一书一文引来更多想读的书。书与书之间好像有一条无形的纽带,这条纽带会引出像是毛遂自荐的更多书来,把你拴住,直至找上门来。这就变成书找人了。不论是人找书,还是书找人,都是一种乐趣。

有些书虽然较薄,重量也不太大,但读起来,你会觉得有一种“厚重感”,觉得“言之有物”,甚至其中的寥寥数语都是沉甸甸的。也有一些书,块头相当大,甚至配以名家推荐的“介绍”和自诩的种种诺言,等等。动辄数十万字,读了以后,却觉得好似轻飘飘的、空荡荡的,没有什么分量,读毕不免觉得怅然若失。

这也难怪,事物总是有差异的,善自抉择罢了。

《中国科学报》 (2017-06-12 第8版 印刻)
 
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