青岛的应用从“海浪”走向“脑电波”

美国国家工程院院士、中国工程院外籍院士黄锷：非线性研究方法是中国高端产业革命面临的重大科学机遇

青岛的应用从“海浪”走向“脑电波”

人物小记：

黄锷，美国国家工程院院士、中国工程院外籍院士，美国航空航天署（NASA）前首席海洋科学家，在数据分析领域造诣深厚、享誉国际，先后被授予“美国服务贡献奖”“美国航空航天署（NASA）年度发明家奖”，并多次荣获“NASA杰出太空法案奖”。

1998年，黄锷创建的HHT数据分析方法被广泛引用于气候变化、重大设备安全检测、医药等诸多领域，单篇文章被引用2.2万余次，被美国航空航天署誉为“NASA历史上应用数学领域最伟大的发现之一”。

2016年，黄锷又原创性地建立了针对非线性相互作用数据分析的理论与方法——高维全息谱，目前已应用在海洋湍流研究、脑科学、助听设备、桥梁和高铁安全诊断等领域。

核心观点：

没有科学支撑的创新是一个个“点”，最多能连成一条线；有科学支撑的创新才能汇聚成一“面”，可以发展成一个真正的“时代”和一个大的产业。

与线性研究方法完全不同，非线性方法意味着高维，蕴含了巨大的信息。传统线性分析方法是做加法，非线性分析方法是做乘法。

如果将线性研究方法比做条形码，那非线性研究方法就是二维码，与“千变万化”的二维码信息量相比，前者所含的信息量明显要低得多。

今天，美国工程院院士、中国工程院外籍院士黄锷应邀来青，在中国-上合组织技术转移中心由市科技局组织的生物医药沙龙上担当主讲嘉宾。

沙龙上，现年84岁高龄的黄锷院士围绕“脑科学”这一主题，进行了近一个半小时的分享，详细阐述了其关于非线性研究方法的科学突破，并进一步分享了该研究方法在脑科学、生物医药、海洋、全球气候变化、重大设备安全检测等领域的拓展性应用，为与会人员描绘了一幅通往非线性研究和产业化的宏伟蓝图。

有科学支撑的创新，才能汇聚成一个“面”

在演讲的开篇，黄锷从全球发展现状入手，探讨了科学与创新的辩证关系。“在当今时代，‘创新’是无处不在的话题。”他说。

黄锷先“抛出”了“李约瑟难题”的例子——英国学者李约瑟在其编著的15卷《中国科学技术史》中提出，“尽管中国古代对人类科技发展做出了很多重要贡献，但为什么科学和工业革命没有在近代的中国发生？”

对这一难题，黄锷给出的答案是：中国的发展史上有很多技术发明的创新，但这些创新缺乏物理、数学、化学等领域科学原理的支撑。换句话说，中国科学发展的根基是十分薄弱的。

“没有科学支撑的创新是一个个‘点’，最多能连成一条线；有科学支撑的创新才能汇聚成一个‘面’，可以发展成一个真正的‘时代’和一个大的产业。”黄锷说，这就是非线性思维研究的逻辑起点。

对此，黄锷给出了一个浅显的类比——没有科学支撑的创新，就像是淘宝上随处可见的一个个小产品，它们或许有局部创新，但难成“气候”。

与此相对，上个世纪五六十年代，威廉姆·肖克利与约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿共同发现了半导体，并因此获得了诺贝尔物理学奖。在这项“科学”成果的支撑下，半导体、集成线路、晶片等逐渐在美国实现了商业化，也因此才造就了加利福尼亚州今天电子工业密布的硅谷地区。这就是科学支撑下的创新，造就了一个“硅谷芯片时代”。

黄锷说，当前，在全球发展的新格局下，中国面临着科学史上的新机遇——非线性科学的发展。“我们现在已经掌握了从线性的约束模式中解放出来的非线性的科学，它应该为新阶段产业和经济发展赋能。”黄锷说。

非线性研究方法，以“乘法”思维拓展信息量

1998年，黄锷创建了希尔伯特-黄数据分析方法，又称为HHT数据分析方法，打破了线性研究的束缚，开启了非线性研究的时代，并进一步建立起了高维全息谱这一非线性数据分析的研究工具。

沙龙现场，黄锷表示，在取得非线性研究成果之前，国际上“通用”的是以傅立叶分析为代表的线性研究方法。这种研究方法往往通过“加法”的形态展示。

打破这一传统研究方法，黄锷的灵感来源于海洋研究。“海浪就是非线性的、非平稳的，这类自然现象如果依赖线性方法进行研究，就会产生结果偏差。”

“与线性研究方法完全不同，非线性方法意味着高维，蕴含了巨大的信息。”黄锷说，“传统线性分析方法是做加法，而非线性分析方法就是做乘法。”

为方便理解，黄锷通俗地将线性研究方法和非线性研究方法分别类比为条形码和二维码——与“千变万化”的二维码信息量相比，前者所含的信息量明显要低得多。“条形码只能应用于一个商场内的货物，而二维码可以应用到14亿中国人。”他说。

与会者跟着这个比喻进入了非线性研究方法的世界，也理解了与线性研究方法相比，非线性研究方法适配的领域更加“包罗万象”，新的非线性研究方法揭示出来的全新信息也能大有作为。

从海洋研究到“大脑”研究，非线性研究思维很“普适”

事实上，这种非线性的研究方法已经在青岛“擅长”的海洋和台风预报等领域开展了成功应用。

黄锷说，之前国际上对台风强度预报的主要表现为对强台风预报偏弱、对弱台风预报偏强，这一点在过去几十年间几乎没有科学进展，这与学界一直以来缺乏对海洋与大气界面精细物理过程的科学认知不无关系。

针对这一国际难题，2016年，在非线性研究模式的赋能下，黄锷与自然资源部第一海洋研究所乔方利团队合作攻关，揭示了海洋湍流这一世界难题的本质，在这一国际前沿取得重大突破。

在非线性思维的引导下，团队将更多“细节”纳入了研究范围。比如，波浪破碎产生的飞沫可以大幅度增加海洋与大气之间热量通量，这也是复杂的湍流过程。

黄锷说，了解了这些因素，我们对台风强度的预测偏差便大大减小，预报能力提高了约30%，在台风预测领域取得了科学的重大突破，实现了全球领跑。

与海浪一样，脑电波同样具有非线性、非平稳特征。因此，黄锷将颠覆性的非线性研究方法应用到脑科学研究中也是“顺理成章”。

“通过非线性定量分析方法，我们可以从脑电波的信号中精确、定量地提取出关键信息，在国际上首次实现了对抑郁症、失眠症、小儿多动症等疾病进行定量诊断，在此基础上逐步实现干预性前期治疗，这具有跨时代意义。”黄锷说。

怎么实现呢？黄锷图文结合给与会人员讲解道，当用高维全息谱将脑电波“展开”呈现的时候，人脑中更多细节将会“无所遁形”，科学家就可以更加精确地抓取到致病元凶。

据悉，从非线性数据分析理论与方法出发，黄锷团队已经研发出多类“物理药品”，可针对老年失智、抑郁、失眠、多动症、记忆力减退等进行定量化诊断。

院士成果要转化，青岛搭建了平台

不仅是海洋、脑科学领域，非线性研究方法也可直接应用到飞机、桥梁等的定量化安全检测，在助听器研发和生产等医疗领域也大有作为。

“世界上约有10%的人需要助听器，但其中只有40%的人会去购买；而购买的人群中，又有60%的人会放弃佩戴助听器。这是因为，现在的助听器佩戴后并不‘舒服’。”黄锷说，“而且，高端助听器主要依赖进口。”随后，黄锷以一组详实的数据勾画了助听器这个产业的现状。

“不好用”的原因在于，市场上现有的助听器都是基于运用“加法”的傅立叶数据分析进行研发和生产，通过简单的线性研究方法无法精确过滤那些本该被清除的“杂声”。而这恰好是非线性研究方法的“用武之地”。

现场，黄锷通过音频分析图和音轨播放结合的方式向大家展示了团队用新原理成功研发出的助听器。这款产品让佩戴助听器的人可以感受到正常对话的“声音”，实现了高保真。

这样的医疗器械正在寻找市场推广之道。青岛这场科技沙龙就是为院士成果进入市场搭建了平台。

沙龙现场，既有海信医疗、百洋智能科技、海尔生物医疗、简码基因、鹏锋诚医疗等本地生物医药产业领域的知名企业负责人，也有来自齐鲁医院、青大附院、青岛市立医院等本地医疗机构的专家代表，大家都期待在医疗领域借力黄锷发明的非线性理论和方法，开展深入合作。

齐鲁医院副院长、青岛院区院长焉传祝激动地说，他们已经与黄锷院士团队开展了深度合作，“黄锷院士的非线性理论与方法是一项颠覆性创新，可为医疗领域带来一场革命。”焉传祝说，“脑电图从上世纪七十年代就开始应用，但半个世纪以来国内外几乎没有技术进展，黄院士的非线性研究方法让这个领域实现了重大突破，展示了更加广阔的医学应用前景，我们的合作已经取得了实质性进展。”

当然，不得不提的还有北京中关村医学转化中心主任赵大权。赵大权此次是慕黄锷之名，特地从北京赶来参加沙龙的。在讨论环节，他介绍，中关村医学转化中心已初步构建了集技术、人才、产业、资本为一体的科技创新创业生态系统，包括医学工程转化服务平台、国际检验检测认证服务平台、医药创客平台等三大平台。

这引起了黄锷的高度兴趣，他与赵大权现场讨论成果推广应用的途径，赵大权当即承诺，将为黄锷对接专业的技术成果转化服务。

一场沙龙让青岛见证了黄锷的非线性理论创新的无穷魅力，也传递出这位“老院士”对祖国高质量发展的倾心关注。

“全球前十名的医疗设备生产商中没有一家中国企业，他们都采用线性研究方法生产设备，就能获得非常高额的‘溢价’，如果我们能够以非线性方法深耕相关领域，是不是可以找到在医疗设备领域实现弯道超车的机会？”黄锷期待地说。

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