北京大学化学与分子工程学院教授吴凯（右二）和团队成员讨论。 北京大学化学与分子工程学院供图
人工智能与生命科学相结合，高效预测蛋白质结构，助力新型药物研发；材料学、临床神经科学以及工程技术等交叉融汇，脑机接口技术有望迎来新突破；量子计算融合了物理学和信息科学，推动计算科学的变革式发展……
近年来，科学研究向极综合交叉发力，学科交叉融合成为加快科技创新的重要驱动力，强化学科交叉成为推动科技创新的重要途径，有望产生更多颠覆性技术和引领性原创成果。
“科学研究向极综合交叉发力”的内涵是什么？将给科学研究带来哪些影响？记者采访了相关专家。
科学问题本身不再局限于某一学科，解决问题需要多学科的协同支撑
什么是极综合交叉的科学研究？
在北京大学化学与分子工程学院教授吴凯看来，极综合交叉科学研究的核心，即科学问题本身不再局限于某一学科，解决问题需要多学科的协同支撑。
科学界普遍认为，极综合交叉的科学研究，旨在利用多个学科的知识与方法，在解决科学技术问题过程中进行深度融合和极限交叉，推动研究范式变革，开辟新的学科方向和研究领域。
极综合交叉的科学研究具备一些显著特征。“极综合交叉的科学研究往往具备一定科学问题导向。也就是说，它的研究模式通常围绕一个复杂的中心科学问题，需要多学科、多视角地提出解决方案。”吴凯说。
“当科学研究发展到一定阶段，某些单一学科维度上的突破将会变得异常艰难，急需不同学科交叉融合、协同探索，实现事半功倍的效果。”中国科学院工程热物理研究所研究员郑会龙说。
郑会龙主要从事智能飞行控制的科研工作，他以自己的研究为例。原本团队需要为航空发动机某一关键部件研制40多个零件，受益于3D打印技术，许多零件都能实现一体化设计制造，如今只需制造7个零件就能达到同样性能，极大提升了效率。“如果将3D打印技术和复材技术结合，把碳纤维材料编织于设备中，不但可以提高设备的耐损耗度和轻盈度，还能更利于设计成传感器，提升设备智能。”郑会龙说。
再如，传统飞机控制领域的科研工作，主要依托流体力学和控制理论的耦合实践。郑会龙团队正在抓紧攻关，将人工智能技术赋能飞行控制，帮助飞机塑造“智能大脑”，进行飞行姿态自学习控制及自学习轨迹规划，从而实现飞机自主飞行，这可能是未来巡飞行业的发展方向。
学科交叉融合释放的潜力巨大，如今，越来越多的科学突破和技术变革通过学科交叉融合而实现。
科学研究的交叉，不仅局限于自然科学或工程科学领域。专家认为，极综合交叉还应容纳自然科学与社会科学的“跨界”交叉融合。
中国科学技术信息研究所研究员徐峰表示，随着人工智能的发展，其科学研究已不仅是单纯的科技问题，也会涉及伦理道德和文化观念等问题，需要确保把有益于人类的价值观、道德观和法律法规贯穿于人工智能的产品和服务。为此，应该建立多学科的合作，加强科学家、工程师、政策制定者以及公众的参与，共同探讨人工智能的发展方向、应用领域和道德伦理问题。
如何理解极综合交叉的“极”？受访专家表示，交叉融合的“交叉”绝非简单的“1+1”，不是将两个学科简单拼凑到一起，而是在对原有学科精耕细作的基础上，甚至在不同维度和层面之间，找到与其他学科的内在逻辑联系，相互作用培育出新的学术增长点，创造出“1+1＞2”的效果。因此，从事交叉融合科研探索，要谨防为了交叉而交叉，否则只会在创新的边缘反复徘徊，浪费资源和精力。
极综合交叉的科学研究，推动解决前沿科学问题，产出重大科研成果
物理学家薛定谔利用量子力学和热力学探究生命本质，催生了分子生物学；屠呦呦从中医药中提取出青蒿素，开辟了人类抗疟疾的新途径……这些都显示了跨学科的创新力量。
极综合交叉的科学研究，不仅是推动基础科学研究和解决复杂技术问题的关键途径，也是促进经济社会发展的动力引擎。
表界面科学是化学、物理学、纳米材料、能源环境乃至生命健康等学科的交汇。近年来，吴凯团队研制出国家重大科研仪器“超高时—空分辨的离子化学研究系统”，这一系统融合了表面化学、凝聚态物理、超快光学、电子信息与工程等多个学科的知识和技术。
“这个系统能够将单个金属或非金属离子精准地软着陆到特定迁移介质表面，并实时监测单个离子在不同界面的迁移动力学、溶剂化过程、电荷转移和能量输运。”吴凯介绍，人们得以从宏观到微观、从静态到动态对离子的物理化学性质开展全方位的研究，直接为乏燃料安全处置、离子电池及资源回收等产业需求提供强有力技术支撑。
通过学科深度交叉融合，近年来我国取得了许多突破性进展成果。
在低维材料、表面物理和微观表征等多个学科的交叉研究中，清华大学教授、中国科学院院士薛其坤团队发现了“量子反常霍尔效应”，突破了人们对量子体系的物理认知，展示了极综合交叉研究的新范式，彰显了低维材料表界面的新奇物性。这一科研成果获得了2018年度国家自然科学奖一等奖。
受益于量子化学理论与计算、催化化学和化学工程等学科的高度交叉融合，中国科学院山西煤炭化学研究所研究员李永旺团队开发出了拥有完全自主知识产权的中温间接煤制油成套技术。该技术不仅在保障我国能源安全方面具有重要战略意义，还为煤炭资源的高效清洁利用提供了新的途径。这一研究成果获得了2020年度国家科学技术进步奖一等奖。
这些案例表明，极综合交叉研究可以整合多学科的理论原理和方法技术，推动前沿科学问题的解决，产出重大科研成果。
推动学科交叉融合是全球科技界的共识。专家认为，科学研究向“极综合交叉”发力的趋势，源自当代全球科技发展态势的深刻变革，以及科学问题的复杂性和多样性。如今，世界各国都在积极推动交叉学科研究，开拓科学视野，产生新的创新契机，带来新的解决方案。
极综合交叉的科学研究模式具有独特的创新驱动力，更容易产生颠覆性技术和引领性原创成果。许多原始重大科学发现和技术进步，都来自学科间的思想碰撞和原理融合。近年来，相当一部分诺贝尔自然科学奖是交叉学科碰触出的火花。比如，今年的诺贝尔化学奖授予了在蛋白质结构预测上作出突出贡献的3位科学家，这是综合科学研究产出的又一代表性成果。
打造交叉、开放和共享的学科运行机制，大力培养综合交叉科学研究人才
做好极综合交叉的科学研究，需要在哪些方面发力？
吴凯建议，在硬件方面，要加快重大高端科研仪器的自主研制。科学研究的跨学科融合，离不开重大高端科研仪器的创新与突破。重大高端科研仪器的自主研发和创制本身也是极综合交叉科学研究的产物，靠的是从基础原理、先进材料与加工、核心元器件、关键电子技术到系统集成的全链条创新。
目前，我国科研体系仍主要建立在传统的学科分类上，师资、人才、资金甚至科研仪器等资源主要围着单一学科转，这使得从事交叉学科的科研人员在科研项目申请、评审环节往往遭遇尴尬，影响科研积极性。徐峰建议，要逐步改变我国学科区分的现状，打造一套交叉、开放和共享的学科运行机制，在项目申报和评审阶段，深入推进更加精细化的改革。2020年11月，国家自然科学基金委员会成立交叉科学部，负责统筹国家自然科学基金交叉科学领域整体资助工作，就是一项探索。
此外，还需大力培养综合交叉科学研究的人才。郑会龙介绍，尽管团队主要从事工程应用科学研究，但在近年招生中，团队倾向于吸纳拥有交叉学科背景的成员，还会有针对性地发现并培养优秀的交叉科学研究青年人才。当前，许多高校科研院所设立多学科交叉融合培养的教学模式、开办通识教育课程，旨在加强复合型创新人才培养，也取得了一定成效。
自然科学致力于揭示自然规律，社会科学则注重人类社会发展。吴凯认为，极综合交叉还应积极推动自然科学与社会科学的“跨界”融合，这两者之间的极综合交叉将为提升我国科技与文化创新能力、促进人类文明的可持续与健康发展贡献中国智慧与中国力量。（记者 刘诗瑶）
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