中国特色社会主义新时代，亦是海归青年成长成才的新时代。近年来，华南理工大学不断深化人事制度改革，逐步构建具有全球竞争力的人才工作体系，引进了一大批具有家国情怀、勇攀高峰的优秀海归青年学者。他们在学校和所在学院的支持下，以探索新知、求真务实为己任，不断推动科技自立自强，在前沿领域屡创佳绩。“海归青年说”系列报道聚焦华南理工大学的海归青年学者，讲述他们在华园的成长经历和精彩故事，弘扬他们心系“国家事”、肩扛“国家责”的精神，展现新时代海归青年“报效国家、服务人民”的自觉担当。
华南理工大学土木与交通学院教授 胡楠
本科：湖南大学土木工程系，2003-2007
硕士：中南大学桥梁与隧道工程系，2007-2010
研究助理：清华大学土木工程系，2010-2011
博士：美国密歇根州立大学土木与环境工程系，2011-2015
博士后：美国达特茅斯学院工程系，2015-2017
预聘(tenure-track)助理教授：美国俄亥俄州立大学土木、环境和测绘工程系，2017-2019
教授：华南理工大学土木与交通学院土木工程系，2020-
胡楠，一个土生土长的北京人，旅美九年后辞去海外教职，于2020年春季进入华南理工大学土木工程系任教，这是他来广州后的第三个夏天。
撰文 | 郑宇丹 方贺 孙艺芸
视频制作 | 孙艺芸 方贺
摄制 | 黄佳兰 方超 方贺 孙艺芸
科学助理 | 姚显花 朱璐
啄木鸟“以头撞树”为何不会脑震荡？
竹子中空为何“千磨万击还坚劲”？
埃菲尔铁塔为何轻质却性能优越？
胡楠的“智建”世界，从这些问题开始。
啄木鸟（图源网络）
一提到“土木”，人们往往会想到建房子，其实土木工程的覆盖范围非常广。土木工程的英文翻译为Civil Engineering，Civil指代文明。土木工程本质上涵盖了伴随人类文明发展的各类建筑物和构造物的设计、建造和运维养护，对象覆盖地表、地下，乃至水中。
随着地球人口数量增加和城市化进程的加剧，可供使用的土地、建筑原材料等资源日益紧缺。近年来，中国大力倡导绿色发展理念，向世界宣布2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。“双碳”政策，对高碳排放的土建行业提出了更高的要求。
据统计，我国每年产生的建筑垃圾高达4000万吨，其中，废弃混凝土达1360万吨，对环境的污染越来越重，开发高性能且低碳的材料结构始终是土建领域的核心问题。
胡楠，便是建筑低碳材料结构领域的探索者之一。他的主要研究目标是利用先进数字化设计和智能建造手段，提出低碳韧性的新型材料结构体系，使其既满足传统性能要求又能凸显定制化特性，进而实现材料最省、性能最优的目标。他有关几何可变化、属性可定制、功能可调节的智能结构的设想，已经发表在《Nature Communications》《Npj Computational Materials》等高水平期刊上。
同时，作为《Science》《Advanced Materials》等30余个国际权威SCI期刊审稿人，以及美国科学促进会、美国土木工程师协会、世界空间结构协会、世界仿生工程协会等多个学术组织的会员，胡楠带领他的“多样化结构实验室”（Versatile Structures Lab），正在新功能材料、高性能结构、新功能结构、基于人工智能的材料结构设计等领域，与领域内国际青年科学家们并驾齐驱。
在胡楠身上，体现出新生代科学家“有料、有趣、有担当”的精神特质。
胡楠在办公室内
有 料
高性能材料结构的“自适应”可能
人类的建造史就是文明史的缩影，但土建行业的创新却相对缓慢，原因在于结构设计的容错率几乎为零，它的失败往往伴随着房屋倒塌、人员伤亡等惨重损失。
在新一轮科技革命浪潮和工业4.0背景下，以物联网、大数据、人工智能为典型的新一代信息技术促进建筑业从过去碎片化、粗放式的工程建造模式向工业化与信息化相融合的智能建造模式转变，这是土建行业升级的历史性机遇。
2020年初，胡楠辞去美国俄亥俄州立大学助理教授一职，进入华南理工大学任教，与他一同并肩归来的，还有前沿的交叉课题——具有“高性能”与“自适应”特质的建构化材料(Architected Materials)。他课题组名称中的“Versatile”这个词，体现的就是未来结构设计和建造需要着重关注的可适应性和多功能性。
说起“自适应”材料，最著名的莫过于荷兰艺术家西奥·詹森（Theo Jansen）的《海滩仿生兽》。
《海滩仿生兽》（图源网络）
这些当代的“木牛流马”全靠木头和塑料制成，除了海风外没有任何机械动力。可以说，西奥·詹森的物理学专业背景，驱动了他的仿生实验，但这终究是一种艺术形式。
胡楠所专注的建构化材料结构是要为低碳城市提供新的解决方案。按照他所描述的愿景，就是利用先进设计和建造手段使结构具有“高性能”与“自适应”的特质。前者是对传统结构性能的改进，后者则是对结构新功能的拓展，总体上是“对传统设计理念与范式的一种挑战”。
建构化材料的“高性能”结构旨在从建筑结构的最小单元入手，探求性能与耗材平衡的“最优解”。通过对材料进行结构化设计，巧妙利用多种材料各自的优点，实现 “超轻”与“超强”的理想目标。
胡楠和他的团队正在尝试将这类成本低、易建造的3D打印材料与传统建筑材料结合，在不丢失受力性能的前提下，降低原材料的使用量，提升建造的效能。即便“在一个构件上节省百分之十的材料，对于整个结构来说都是重要的降碳手段。”胡楠说。
胡楠展示高性能材料结构模型
在减少耗材的同时，韧性也是当代结构设计的重要目标。面对突发的自然灾害，建筑物需要将性能发挥到极限。胡楠团队正在探索多孔建构化材料结构的耗能原理。
基于材料建构化设计的减隔振构造设计概念
得益于独特的几何构造设计，这类材料结构单元能够在常规荷载作用下具有可恢复的力学特性，而在极端荷载作用下具备更高的耗能效果。同时，这种设计理念不只用在建筑减隔振上，还同样能融合在运动头盔、汽车保险杠、文物保护装置等其他有减隔振需求的结构设计中。
胡楠初到广州时，感到气候甚是闷热。校园湖滨北路两旁鲜有遮挡的建筑物，车辆在烈日下停上几小时便冒着热气，车内温度极高，回到车上让人“如坐针毡”。
“倒不如在路旁开发个共享可展开遮阳结构”，胡楠受到折纸结构的启发，带领团队提出可展开式遮阳结构的设想。如下图所示，在无需遮阳的情况下，将结构收起，作为景观陈列在道路一边，体积小但很美观；当需要发挥其遮阳功能时，进行可控制的伸展。
遮阳装置概念设想
如果将光伏材料融合在结构设计中，利用岭南地区独特的光照资源，结合光伏材料和机械控制等技术，或可为未来城市建设增添“多功能”与“自适性”的应用场景。胡楠希望，这一遮阳装置能够在2023年实现小范围的产品落地。
除了遮阳之外，胡楠的团队还在探索此类结构更多功能化设计，同样也是在生活中找到了灵感。广州作为大湾区的核心城市，经常遭受台风和暴雨侵袭，而每次所引发的城市内涝令人叫苦不迭，极端情况下还可能发生江水倒灌的危险。
胡楠和他的团队受此激发，提出具有可展开属性的挡水结构，希望通过几何重构，提升结构对水流的自适应特性，目前已经申请了发明专利。胡楠说，“若真能将此结构设计运用于城市关键节点的洪水管理系统中，就有望提升城市应对极端气候条件的韧性和适应性。”
自适应流控装置实验图
有 趣
数字建造与结构设计的碰撞
初次与胡楠见面是在他的办公室，一张可以调整高度的办公桌，四米见方的屋子井然有序地摆放着大小不一的模型，墙壁上张贴着许多经典建筑的照片。
胡楠办公室墙上张贴的建筑照片
“巴黎埃菲尔铁塔不但运用了当时最先进的建筑材料，还采用了巧妙的建构化设计，达到轻质高强的效果，这也给我们做结构工程的研究许多启发。”胡楠一边介绍，一边向记者展示小型埃菲尔铁塔模型。
“这个模型是咱们华工机械学院金属打印团队给我的样品，我们课题组也通过工业级3D打印机或在机械臂上安装打印头来实现各类建构化材料与结构的概念验证。”3D打印看似简单，其实背后有许多“卡脖子”的难点。胡楠笑着说，“看打印机运转是件很有趣和解压的事情，但在过程中看到建造中断或报错，那就很头疼了。”
胡楠展示3D打印机制作的埃菲尔铁塔模型
未来土建行业一个重要的趋势就是数字化，以人工智能和3D打印为代表的新兴技术，已经开始向众多学科领域渗透。突破传统制造方式的约束，3D打印能够快速精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现了零件“自由制造”，这也为科学家“脑洞”的实现提供了可能。
胡楠课题组利用工业级3D打印机进行材料结构制造
“为什么啄木鸟一直在啄木却不会脑震荡呢？”“模仿孔雀的开屏原理，可不可以做成一把伞呢？”在带两个孩子逛动物园时，胡楠经常在脑中“开小差”。
“建构化材料最早其实是源于对生物结构的学习，例如人类骨骼、树干结构、乌龟壳等结构，在微观上看多为随机分布的孔洞。”胡楠拿起他所设计的多孔结构模型向记者介绍，“虽然受到自然界的启发，我们更需要利用现代手段去更迭结构设计原理。所以，通过3D打印，我们降低了材料几何构造的随机性，使其拥有可预测的破坏和可定制化的属性，最终希望能实现标准化设计，服务于低碳建造。”
胡楠与学生们探讨材料结构的建构化设计
在胡楠眼中，结构设计理论与实践是一个跨学科的共性科研问题。他的教育履历，展现了他在不同领域中对结构设计的实践。
胡楠本科毕业于湖南大学土木工程专业，后在中南大学桥梁与隧道工程专业获硕士学位，出国前还在清华大学做过一年科研助理。在这段时间里，他受到不同老师的影响，开始接触“结构艺术”这个小领域，逐渐理解了经典结构设计中材料和力学所扮演的重要角色。
2011年起在美国攻读博士学位期间，胡楠开始深入研究非线性力学和复合材料结构。2015年获得博士学位后，他又进入常青藤联盟大学之一的达特茅斯学院，开展了为期一年半的博士后科研，有机会接触到了生物力学和生物医疗器件等领域。
在此期间，他发现结构设计的无穷魅力和多学科背景下的无限可能，比如他将薄壁结构运用于自产能心脏起搏器的设计中，通过心脏驱动电线跳动产生的机械能转化为电能的方式，使病人免于反复开刀。
此后，以屈曲等几何大变形为基础的多尺度结构概念设计，成为胡楠在科研方面的主攻方向。2017年9月至2019年12月期间，他以预聘(tenure-track)助理教授身份在美国俄亥俄州立大学，继续从事多学科背景下新型结构体系与材料的开发。
胡楠在博士后期间设计的部分柔性材料结构案例
在交流的过程中，记者发现胡楠对于“美”有着几近“强迫症”的执着。他说，“我们在设计工程结构的时候，的确要注重安全性和经济性，但更要关注它的艺术价值。结构设计做到极致就是艺术品，埃菲尔铁塔就是典型的例子，它成为景点的观赏价值甚至远超过其本身的结构功能。”
胡楠一直期望，自己团队所研发的结构在满足功能的前提下，能够为人居环境提供极高的美学体验。
胡楠认为工程设计应该把艺术性作为目标之一，所以艺术审美对于工科学生来说也是必不可少的。在平日的科研指导中，他不仅会对科研内容有着极高的要求，还会对学生所提交的报告或PPT提出美观的要求，甚至还会“苛刻”于一些微小的细节。
“一页PPT看似是小事，实则是体现了我们每个人在做一件事情上的观念、逻辑和品味。这听上去似乎有点‘强迫症’，但对细节和对美的精准把握，也应该是我们做结构设计所必须具备的素养。”
可展开结构的小尺度搭建
有 担 当
天马行空与传道授业的“兼”守
回国之前的胡楠一直驰骋在基础科研的第一线，不断挑战传统的设计理念和范式。“那时的我天马行空，时常跨越领域，探索结构设计在其他行业的可能。”
回国后，科研环境发生了不小的改变，胡楠也对自己的研究主题和方式方法进行了调整。土建行业发展放缓，但仍有着较高的社会需求，这就意味着胡楠的科研方向具备充足的应用端，从桥梁到房屋建筑，他正在为材料结构的建构化设计寻找着“用武之地”。
同时，人才计划和华南理工大学所提供的启动资金，也足以支撑胡楠在第一个五年聘期内将一些前端科研拓展到更深和更广的维度。胡楠说，“我能很快适应国内大学的工作环境和运营方式，离不开学院领导和周围同事的支持和帮助。"
胡楠课题组使用小型机械臂进行打印建造
胡楠常问学生，我们的研究到底是工程问题还是科学问题？当概念性的基础研究走出实验室，科研人员所要思考的范畴就要从可行性转换为适用性；而当新型结构从设计走向实际建造时，就要考虑传统工艺与现代技术的融合，“有时候我们的想法很高级、先进，但是建造出来却是另外一种模样。”
于是，回国后的胡楠对工程科学家的身份更加认同。“土建行业拥有很多前端科学问题，需要科学家，更需要工程师，需要开拓者，更需要实践者。这意味着我在进行设计与建造方法上的革命时，也要将所提出结构概念的适用性充分考察和打磨。”工程目标一定是回馈社会，这应该是每个工程从业者的终极梦想。
胡楠在华南理工大学土木与交通学院门前
来华工任教前，胡楠已经在美国的一所知名公立大学任教。回国后建立课题组初期，时间多用在学生身上，他对自己的人生目标也有了调整。相较于科学和工程，他现在更关注于教育。胡楠表示，两国的教学体验截然不同：中国的学生尊师重道，师生间更为亲密、和谐，“尤其是当自己意识到在培育祖国下一代时，自豪感和责任感油然而生”。
身兼多职的他对学生的成长尤为关注，“人品、眼界与规划对于一个人的长远发展至关重要。”作为三个班的班主任和一个学生党支部的书记，胡楠希望能把自己的想法和能量赋予到学生身上。同时作为两个孩子的父亲，胡楠经常将带学生与养孩子相类比。他开玩笑说，“二者都是高付出、低回报、且磨人的‘修行’。”
胡楠在实验室与课题组同学讨论建造细节
胡楠认为，相互成就的前提是互相尊重，他反对强加意志，认为兴趣当为学习的主导动力，家长或老师应扮演着指引与辅助的角色。而在科研方面，老师更应是与学生平等关系下的支持者。“研究生是在科研最前线帮助老师实现想法的人，双方应该是相互成就的。学生如果对我提出的要求有百分之百的投入，我都会给他们百分之一百二的回馈。”胡楠说。
每个学生的学术背景不同，特点各异，胡楠并未采用统一的标准去要求他们，而是根据每个人的兴趣与定位进行评估，进而制定有针对性的培养方案。“导师会给有意读博升学的学生偏向理论的项目，而想要工作的同学则会获得更多实践上的锻炼。”胡楠的硕士研究生刘盼说 。
胡楠课题组近期合照
胡楠指导的“多样化结构实验室”目前由3名博士生和11名硕士生组成，男女比例1:1，这在男生占多数的土木专业中实属罕见。谈及招生标准，胡楠表示更倾向于综合发展的学生，“可塑性与多维度更重要，仅会考试是完全不够的，女生在这个专业领域中同样具有独特的优势。”在胡楠看来，科研只是学生未来发展的载体，更重要的是自身批判思维能力、抗挫折能力、交流能力以及审美趣味的提升。
在疫情的大背景下，如何探索国际交流的新模式，让学院的老师和同学们接触最前沿的科研动态。胡楠联合了学院一批中青年骨干教师，组织了“The SIR Froniters”海外学者学术前沿系列讲座，每周五邀请一位相关领域学者进行线上讲学。截止到2022年6月，共举办了54场，主讲人来自剑桥、牛津、麻省理工、普林斯顿等世界顶尖高校，免费为华工师生提供前沿领域知识和交流科研心得。
胡楠在“The SIR Froniters”系列讲座中与海外同行对话
自2021年9月起，胡楠开通了B站账号和微信公众号，目前两个平台已有超过两万人关注。胡楠认为，科研能让普通人听懂，能让相关专业的学生感兴趣，是件很有意义的事。同时，自2022年6月起，胡楠开始在华南理工大学教务处挂职副处长一职。他表示，“作为一直从事科研教学的我，能在教务处了解大学运营，尤其是参与本科教学创新改革，我感到十分幸运，也感恩学校给我这样的机会。本科教育是一所大学的灵魂，希望我能为华工本科教育的发展献计献策。”
胡楠指导的“多样化结构实验室VSL”B站科普平台
胡楠认为，教师的初心就是教育，脱离了育人，教师的职业属性就不存在了。曾在世界一流大学工作的他，一直期待能将自己的经验和理念渗透进当下的工作中，影响更多的学生，唤醒他们的意识，激发他们的斗志，让更多的学生找寻自己的兴趣和能力所在，最终将他们的理想融入到更宏大的社会建设中。
“我希望能将所知所学所见传授给更多学生，影响一个课题组，一个专业，一个学院，一个学校，甚至一个领域。倘若我的努力能对中国教育以及社会发展有所推动，这便是我回国能产生的最大价值，甚至可能超过我自己所从事的科研本身的价值。”胡楠说。