著名生物工程学家、生物力学之父冯元桢先生辞世

当地时间12月15日,世界生物力学之父、首批中国科学院外籍院士冯元桢老先生,于美国圣迭戈加州大学雅各布医院(UCSD Jacobs Hospital)安详离世。

跨越 100 载的光辉岁月虽已暂停,但冯老先生的人生传奇永不谢幕,从航空学泰斗华丽转身至世界生物力学之父,他的一生远比戏剧精彩。

图片来源:微博截图

生物力学(biomechanics)是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支,研究对象包含之广,从生物整体到系统、器官(包括血液、体液、脏器、骨骼等),从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动到植物体液的输运等,极大地推动了力学和组织学、生理学、医学相结合。

学医的同学想必对此不会陌生,椎间盘蜕变、脊椎矫正、心脏辅助装置等与生物力学息息相关。作为「生物力学」之父,冯元桢老先生可谓是天时地利人和的代表。

巨星陨落,举世同悲,笔者带大家去回顾一下老先生的传奇璀璨人生。

充满传奇色彩的求学时光

1919 年,冯元桢出生于江苏常州的一个书香之家,彼时国家动荡,个人命运如同浮萍。初中一年级时,日军发动九一八事变;二年级时,日军入侵上海,全家背井离乡开始逃亡。

1937 年冯元桢进入中央大学航空学专业学习,青少年时期的记忆让他深知中国生存最需要的就是飞机。

世事变迁,赤子之心永不褪色。1943 年他迎来人生的第一次转折,美国提供了 20 个研究生资助名额,冯元桢辞别父母、远渡重洋,开始异国深造之路。

中间经历了路途延误与奖学金转赠他人等各种挫折与磨难,眼看留学希望落空。

幸而 Ernie Sechler 慧眼识珠,为其提供了一份助理教授的工作,他们在飞机后掠翼设计、壳体屈曲、ICBM 基础硬化、火箭结构、燃油晃荡等多个方向有着密切的合作,奠定了他在航空学领域的坚实基础。

1948 年他以非凡的毅力和优异的成绩获得加州理工大学航空工程与数学的博士学位,并留校任教。

1955 年,他出版了力学与工程学专著《Theory of Aero-elasticity》,一举成为了航天航空领域的佼佼者。这一年,他 36 岁。

充满传奇色彩的转行之路

母亲病重,偶然进入生理学领域

1957 年,留在中国的母亲身患重病,身为人子却不能侍奉床前,冯元桢的内心万分煎熬。

为尽己所能,他开始研究生理学,收集大量文献资料,并寄给国内的医生,希望自己在母亲生病的时候能提供一些正确的建议给她。

科学家的眼光是敏锐且超前的,在阅读生理学著作的过程中,拥有工程力学知识背景的冯元桢看到了一般生理学家未曾注意的东西。他发现当人体血压变化时,血管会很快自我重塑。

通常,血管的内壁会自动增厚,在两到三天内其厚度增加一倍。然后血管外壁随之变厚,约于 10 天内翻倍。此外,血管壁中的残余应力也会改变。

他想,在人体运动和血液循环这些生理活动的过程中,内外力的作用都是不可或缺的,残余应力的施加是否会引起疾病的产生呢?

壮士断腕,开启新的职业生涯

冯元桢想要验证这个有趣的猜想,然而隔行如隔山,毫无人体生理学、解剖学、组织学背景的工学博士,要研究医学问题谈何容易?

彼时他已年近五十,在航空学术圈内有着崇高的地位,为更好地进行医学研究,他从加州理工大学航空系辞职,成为第一个也是唯一一个从这个系离开并转行的人,到加州大学圣迭戈分校开启自由的科研人生。

从零开始,从航空学专家到普通医学生

在身为名医的妻子喻娴才教授的支持与鼓励下,在两位杰出的生理学家 SobinZewifach 的合作下,他从零开始,和所有医学实习生一样,学习人体解剖,驱车几百公里到医院参加病例讨论会,一步步学习活组织、器官的生理和力学机理。

研究最繁忙时,半夜两三点睡觉是常事,一边阅读医学文献、一边照顾年幼的孩子是家常便饭。

很多人无法理解,为什么他要放弃航空学专家的身份,去涉足一个完全空白的领域呢?会成功还是会失败,无人知晓。

图片来源:《医用生物力学》期刊,左一和左二是冯元桢夫妇

充满传奇色彩的跨界研究

填补了医学界的空白

冯元桢最初的研究是从血液流动动力学入手,在他的实验室中,挂着一张人体肺部血管图,这是他最得意的作品。

当人体肺部血管受力异常时,可能会引起一种极为严重的疾病—–肺动脉高压。他将工程力学理论与病理过程有机统一,运用全新的视野去揭示人体血球、血管、微循环的奥秘,开创了著名的「冯氏隧道理论」

在没有这张图之前,医生们并不知道人体肺部的血管分布情况,而这个问题被一位航天专家解决了。

开创性的工作令人刮目相看

在几乎不被人看好的情况下,经过多年筚路蓝缕的努力,冯元桢和他的实验室取得三个具有里程碑性质的成就:

  • 生物软组织本构关系的研究;

  • 以肺毛细血流片层流动 (Sheet flow) 模型为核心的肺血流动力学规律的研究;

  • 生物组织器官生长和应力的关系的研究。

这些成就为临床疾病的诊断与治疗提供了极大的帮助,拯救了无数患者的宝贵生命。

1981 年起,他相继出版了《生物力学—活组织的力学特性》《生物力学—血液循环》《生物力学—运动、流动、应力和生长》3 本一套的生物力学经典专著并被译为多国文字,这套专著的问世是生物力学学科发展的里程碑。

图片来源:冯元桢专著

冯元桢明确地提出了生物力学研究前瞻性的路线、策略和目标,提出「应力-生长」理论

接下来的几十年,他获得多项令人难以望其项背的奖项:

  • 1975 年,国际微循环学会的 Landis 奖

  • 1976 年,美国土木工程学会的 von Karman 奖

  • 1978 年,美国机械工程师学会的 Lissner 奖

  • 1981 年,「百年大奖」

  • 1984 年,Worcester Reed Warner 奖

  • 1986 年,国际生物流变学会的 Poiseuille 奖

  • 1989 年,美国生物医学工程学会的 ALZA 奖

  • 1992 年,Timoshenko 奖

  • 1994 年,Melville 奖

  • 1998 年,美国工程院「奠基者奖」(Founders Award) 奖

  • 2000 年,美国科学最高荣誉美国科学奖,并由克林顿总统在白宫颁奖。

  • 2007 年,「拉斯奖」(Russ prize)(学术地位堪比诺贝尔奖),以表彰他「鉴别与确定人体组织的结构与功能,使之有助于创伤的预防及减轻」的卓越贡献。

图片来源:加州大学圣地亚哥分校官网

 

 

充满传奇色彩的赤子之心

自从 1943 年离开故土后,冯元桢的心一直惦记着国家。他曾多次在国际学术会议的讲坛上自豪地说:「我是中国人」,让全世界看到中国人的贡献与智慧。

中美关系解冻之后,冯元桢是第一批来华访问的学者。1979 年,他身体力行,在现华中科技大学和重庆大学举办生物力学研习班,带来国际最新的科研动态,同时他无偿资助及指导国内年轻的科研工作者赴外深造。

他一共回国 16 次,培养了中国在这方面几乎所有的研究人才,此外,他对台湾、香港、新加坡以及其他地区华人的科学与工程的发展推动也是不遗余力,影响至巨。

在冯元桢的大力推动和热情关怀下,我国生物力学作为一门新兴的交叉学科在我国起步、蓬勃发展。

作为美籍华人、「六院院士」,冯元桢老先生赤子之心,可鉴日月,巨星陨落,举世同悲。

今年,我们失去了 32 位院士,他们在各个领域里做出卓越贡献,极大地推动了我国科研事业的进步。他们忘却自我,从不计较个人得失,是真正的共和国脊梁。

斯人已逝,唯有缅怀。如果说人类进步是需要穿越过黑暗道路,科学家们就是举着火把走在最前方的先锋者。

从航空泰斗到生物力学之父,冯元桢老先生的传奇人生永不谢幕,他的精神必将照耀着我们继续前行……

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