回顧自己多年的科研路，江雪覺(jué)得正反饋起了很大的推動(dòng)作用。一步一步摸索走向科研，就像是徒手推動(dòng)靜止的輪子，一開(kāi)始需要花費(fèi)很大的力氣，而一旦輪子開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，只要用比較小的力，就能讓它越轉(zhuǎn)越快。
音樂(lè)廳中回蕩的美妙樂(lè)聲、孕檢B超圖顯示的小生命、深海探測(cè)與通信……人類的生產(chǎn)生活中，處處存在利用聲波的案例。
超聲波承載的信息與能量是聲學(xué)在醫(yī)學(xué)的應(yīng)用中“一個(gè)最好的突破點(diǎn)”。由于B超影像分辨率較低，一些疾病的早期癥狀在影像中表現(xiàn)并不顯著。倘若從物理學(xué)角度，利用聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)等技術(shù)提高超聲成像精度，就能為盡早發(fā)現(xiàn)異常增添一份可能。
針對(duì)醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的需求，復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院副教授江雪用聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)對(duì)聲波進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了三維空間任意位置的精準(zhǔn)聚焦。她作為第一作者提出了三維亞波長(zhǎng)分辨率超聲成像，實(shí)現(xiàn)了亞波長(zhǎng)（0.58波長(zhǎng)）分辨率，達(dá)到了納米量級(jí)。
作為聲學(xué)領(lǐng)域的研究者，江雪以聲為器，從物理學(xué)角度持續(xù)提出創(chuàng)新方案。
▲江雪在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展工作/圖源：江雪
讓一只螞蟻絆倒大象
聲波被廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，以超聲成像為例，因其安全無(wú)輻射、靈活度高、性價(jià)比高等特點(diǎn)，在常規(guī)體檢中被廣泛用于腹部臟器的檢查。然而，現(xiàn)有的絕大部分醫(yī)學(xué)器件都是以自然材料為基石設(shè)計(jì)的，受材料物理屬性的限制，超聲波在衍射成像過(guò)程中存在一個(gè)難以突破的衍射極限，影響了成像的精度，分辨率低成為無(wú)法忽略的硬傷。
成像清晰度在很多疾病的診斷中都起著關(guān)鍵作用。一些不太明顯的疾病表征，如瘤體直徑小于1厘米的微小肝癌，若僅采用B超檢查，很可能無(wú)法被檢測(cè)出來(lái)。B超漏診之后，普通體檢中的其他步驟很難將患者篩查出來(lái)，對(duì)小腫瘤更敏感的CT檢查便極易被略過(guò)。
因此，在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，追求更高的空間分辨率一直是醫(yī)學(xué)超聲的研究重點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)高分辨率成像方面，聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)是從物理聲學(xué)領(lǐng)域跨界而來(lái)的“破局者”，它能夠突破自然材料的限制，幫助獲取超聲波在傳播過(guò)程中衰減的信息。
“這種物理屬性的突破不是從原子或分子尺度上構(gòu)造材料?！苯┙忉?，“而是通過(guò)結(jié)構(gòu)上的特殊設(shè)計(jì)，更精準(zhǔn)地控制聲波?！?
利用聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)，江雪及合作者實(shí)現(xiàn)了三維亞波長(zhǎng)分辨率超聲成像。他們?cè)趥鹘y(tǒng)超聲超構(gòu)透鏡的基礎(chǔ)上人工構(gòu)造了一種超聲透鏡，使其具有寬頻、精準(zhǔn)、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，從而達(dá)到了三維空間任意位置的精準(zhǔn)聚焦。
在對(duì)聲波的控制與引導(dǎo)中，相比由自然材料構(gòu)成的聲學(xué)器件，聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)體積更小，性能更好，“就像一只螞蟻將大象絆倒”。在保證對(duì)聲波調(diào)控效果相同的前提下，利用聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)研發(fā)器件后，原本數(shù)十米的龐大自然材料器件就能夠被縮減到幾厘米甚至更小。體積上的縮小，極大提高了儀器在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的靈活度。
“這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的工作為超聲超材料在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用樹(shù)立了一個(gè)重要的里程碑?！蹦暇┐髮W(xué)聲學(xué)研究所教授程建春在同期評(píng)論文章中評(píng)價(jià)。
江雪以聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)為手段，攻克了醫(yī)學(xué)超聲和水下通信等國(guó)家重大領(lǐng)域與聲學(xué)的技術(shù)難點(diǎn)，在學(xué)科交叉領(lǐng)域持續(xù)探索。正是因?yàn)檫@些成果，江雪在31歲時(shí)入選2022“上?？萍记嗄?5人引領(lǐng)計(jì)劃”，在更廣闊的平臺(tái)上用創(chuàng)新素養(yǎng)繼續(xù)探索世界科技的前沿。
轉(zhuǎn)動(dòng)科研的飛輪
回顧自己多年的科研路，江雪覺(jué)得正反饋起了很大的推動(dòng)作用。一步一步摸索走向科研，就像是徒手推動(dòng)靜止的輪子，一開(kāi)始需要花費(fèi)很大的力氣，而一旦輪子開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，只要用比較小的力，就能讓它越轉(zhuǎn)越快。
起初，江雪只是覺(jué)得聲學(xué)很特別，“它既是一門科學(xué)，又可以非常人文、非常藝術(shù)，比如可以與音樂(lè)聲學(xué)、建筑設(shè)計(jì)等相關(guān)學(xué)科密切交織?！薄@是江雪在大二專業(yè)分流時(shí)對(duì)聲學(xué)的初印象。
作為一門與其他領(lǐng)域廣泛交叉的學(xué)科，物理聲學(xué)帶來(lái)了很多選擇與不確定。江雪坦言，與很多同學(xué)一樣，自己在本科階段的關(guān)鍵詞更多時(shí)候是迷茫，并不知道未來(lái)將去向何方。
大二下學(xué)期，江雪參加了南京大學(xué)為本科生開(kāi)設(shè)的科創(chuàng)項(xiàng)目，第一次接觸到物理聲學(xué)領(lǐng)域的科研工作，并因此與科研結(jié)緣。在聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室里，她接受科學(xué)素養(yǎng)的培訓(xùn)，鍛煉了科研能力，“更重要的是擴(kuò)充了視野，覺(jué)得更有信心了”。
更大的鼓舞發(fā)生在大四，江雪作為第一作者發(fā)表的論文被刊登在SCI（Scientific Citation Index）索引收錄的期刊。這篇SCI論文的發(fā)表不僅是江雪個(gè)人的第一次，也是當(dāng)時(shí)南京大學(xué)物理學(xué)專業(yè)兩三百名本科生中的第一次，于她而言，是“比較重要的一個(gè)激勵(lì)”。
在那篇文章中，江雪設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)了世界上首個(gè)聲場(chǎng)旋轉(zhuǎn)器。這一特殊的聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)能將在其中的聲波波陣面旋轉(zhuǎn)一個(gè)特定的角度，被美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)（AIP）專文評(píng)價(jià)為“可幫助提高醫(yī)學(xué)超聲成像質(zhì)量，提升超聲器件的對(duì)比度并提高受損組織的成像質(zhì)量”。
這僅僅是一個(gè)開(kāi)頭。
2019年，江雪加入復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)中心，這是她從基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向偏學(xué)科交叉的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
江雪回憶，在摸索個(gè)人研究方向的過(guò)程中，王威琪院士給了她很多提綱挈領(lǐng)的指導(dǎo)。作為生物醫(yī)學(xué)工程中心的領(lǐng)頭人，王威琪鼓勵(lì)江雪結(jié)合物理聲學(xué)的研究基礎(chǔ)，針對(duì)醫(yī)學(xué)、通信等重點(diǎn)領(lǐng)域的“卡脖子”難題，開(kāi)展基礎(chǔ)與應(yīng)用的聯(lián)合研究。
這一建議讓江雪將工作重心轉(zhuǎn)向醫(yī)學(xué)超聲的應(yīng)用研究。
如今，面對(duì)我國(guó)高端醫(yī)療超聲設(shè)備國(guó)產(chǎn)化難題，她利用聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)的獨(dú)特屬性，除亞波長(zhǎng)分辨率超聲成像之外，還提出了多功能超聲無(wú)線控制平臺(tái)、高強(qiáng)度聚焦超聲刀和組織消融等，在包括Science等的綜合類期刊發(fā)表第一通訊作者論文20余篇，2篇入選ESI高被引文章，1篇入選期刊正封面。
深耕物理聲學(xué)的十年中“當(dāng)然會(huì)有階段性的疲倦”，但科研更多時(shí)候給江雪帶來(lái)的是新鮮感。因?yàn)樗皇且环菽爻梢?guī)的工作，對(duì)江雪來(lái)說(shuō)，創(chuàng)新帶來(lái)的成果會(huì)成為一種正反饋，激勵(lì)她持續(xù)前行。
不過(guò)，江雪深知，基礎(chǔ)學(xué)科研究成果的落地并非易事。“印象最深的是王院士去向醫(yī)生取經(jīng)的時(shí)候，他跟著醫(yī)生在手術(shù)室，看他們做手術(shù)，呆上幾個(gè)小時(shí)，甚至一整天。這樣才能知道這個(gè)手術(shù)具體怎么做，以及醫(yī)生到底需要什么?！痹谕跬鞯膯l(fā)下，江雪力求在實(shí)際情境中與應(yīng)用學(xué)科的工作者們接觸，在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究學(xué)科的溝通中找尋真正的問(wèn)題。
在江雪看來(lái)，基礎(chǔ)學(xué)科研究發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用成果的落地還需要面臨一系列復(fù)雜問(wèn)題：設(shè)備的可操作性、產(chǎn)品間的兼容性、使用便攜程度、產(chǎn)業(yè)化的成本。江雪自知，要將論文上的一行行公式、一串串?dāng)?shù)據(jù)、一句句結(jié)論推進(jìn)到流水線生產(chǎn)，仍有很長(zhǎng)一段路要走。
馬拉松接力賽
“電磁波與聲波本質(zhì)都是波動(dòng)，是相輔相成的。”
聲學(xué)的前沿研究經(jīng)常從電磁波中尋找一些啟發(fā)。作為本科生課程《電磁場(chǎng)與電磁波》的主講教師之一，江雪讓自己的教學(xué)與研究相互促進(jìn)。這門課開(kāi)設(shè)了四年，江雪也把教科書(shū)讀了四五遍。在江雪看來(lái)，反復(fù)學(xué)習(xí)讓她吃透電磁場(chǎng)與電磁波的相關(guān)知識(shí)，有助于她在聲學(xué)方面的創(chuàng)新研究。
將根植于電磁波理論的5G技術(shù)應(yīng)用實(shí)例融于理論課堂，是江雪和另一位授課老師他得安教授讓《電磁場(chǎng)與電磁波》“活”起來(lái)的方法。
以5G技術(shù)在疫情期間的應(yīng)用為切入點(diǎn)，他們向同學(xué)們講解5G結(jié)合遠(yuǎn)程會(huì)診，以此把大城市的醫(yī)療資源向中小城市輸送，展示火神山、雷神山醫(yī)院建設(shè)的視頻直播。把電磁場(chǎng)與電磁波的前沿應(yīng)用作為教學(xué)案例，他得安與江雪把新科技的實(shí)際應(yīng)用搬入課堂，找到了理論知識(shí)與生活的連接點(diǎn)。
在課堂上，江雪還會(huì)向?qū)W生介紹老一輩學(xué)者的科研故事，講述謝處方老師、金亞秋院士等如何拒絕外國(guó)優(yōu)厚的條件，毅然回到國(guó)內(nèi)鉆研科學(xué)技術(shù)，激勵(lì)學(xué)生們“把自己學(xué)到的知識(shí)轉(zhuǎn)換成科技生產(chǎn)力”。
作為一名黨員教師，江雪的教學(xué)并不局限于大學(xué)校園。閑暇時(shí)她常常參與各類科普宣傳志愿活動(dòng)，從生活中找到切入點(diǎn):聲音的振動(dòng)能否被看見(jiàn)？怎么理解聲音的傳播需要介質(zhì)？耳機(jī)對(duì)我們的耳朵造成了什么樣的影響？為什么在樓梯間唱歌聲音會(huì)更好聽(tīng)？
在江雪主講的面向中學(xué)生的趣味科普講座中，這些問(wèn)題都能得到解答。江雪通過(guò)生活中的聲學(xué)問(wèn)題、生動(dòng)具體的實(shí)驗(yàn)介紹聲學(xué)，盡可能激發(fā)中學(xué)生們對(duì)物理、對(duì)聲學(xué)的興趣。
同樣，在培養(yǎng)本科生科研能力時(shí)，江雪扮演著“引路人”的角色，最看重的是“激發(fā)學(xué)生的興趣，讓他們先確定好一個(gè)愿意嘗試的方向”。她提供中英文文獻(xiàn)等資料，讓學(xué)生對(duì)聲學(xué)領(lǐng)域先有大方向上的認(rèn)識(shí)，并在接下來(lái)一年半到兩年的科研初體驗(yàn)中，提供理論和實(shí)踐方面的具體指導(dǎo)，比如實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用、實(shí)驗(yàn)方案的打磨、實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中的幫助等。
作為本科生科創(chuàng)項(xiàng)目的受益者，江雪很愿意指導(dǎo)本科生進(jìn)行科研。她自2021年起擔(dān)任復(fù)旦大學(xué)騰飛書(shū)院導(dǎo)師，并在復(fù)旦大學(xué)本科生學(xué)術(shù)研究資助計(jì)劃（FDUROP）、復(fù)旦大學(xué)騰飛書(shū)院“騰飛科創(chuàng)計(jì)劃”等平臺(tái)上提供了多個(gè)開(kāi)放課題，如基于深度學(xué)習(xí)的超聲器件設(shè)計(jì)方法、超聲波對(duì)水中雜質(zhì)濃度的檢測(cè)研究等。目前，江雪共指導(dǎo)4名本科生參加科研項(xiàng)目。
江雪知道，作為青年教師，“我們肩負(fù)重任——跑好我們的馬拉松接力賽，將接力棒從前輩們手中更好地傳給明天的年輕人”。
