除法乘法
材料、系统部门跨越传统障碍促进澳门威尼斯人注册网站研究
莉兹·希利著
燃料电池的使用可能是缓解气候变化的最好方法之一——燃料电池像电池一样工作，提供高效的电力，不排放空气污染物。但在它们进入商业市场之前，在澳门威尼斯人注册网站研究和开发方面存在多重障碍。
Soumendra Basu教授（ME， MSE）一直致力于燃料电池的澳门威尼斯人注册网站研究，但是，和其他人一样，受到了其中一个障碍的阻碍：电池阴极上使用的材料不稳定，容易分解。为了寻求帮助，他向物理系的卡尔·路德维希教授求助。
巴苏解释说：“我们一直在使用最先进的方法来观察这些材料的表面，以弄清楚它们有多稳定。”“这就是我们与物理学家合作的地方。我们引进了工程方面的材料和设备专业知识，表面科学家也引进了专业知识，只澳门威尼斯人注册网站研究非常非常薄的表面，就能弄清楚发生了什么。”
“我们确实在理解表面的不稳定性方面做出了一些贡献，这种合作努力不仅表明了这种材料的成分，而且表明了它的张力如何在这种表面不稳定性中发挥作用。”
工程师和物理学家之间的联系是由他们在工程学院材料科学与工程（MSE）部门的成员促成的，该部门是一个以澳门威尼斯人注册网站研究为重点的单位，包括来自波士顿大学几个学院的87名教员。
他们能够一起工作，甚至指导同一个澳门威尼斯人注册网站研究生的能力来自于MSE部门，没有这一点，这项工作可能不会成功。
全方位创新
MSE和系统工程（SE）部门建立在一个独特的概念上。
Ioannis Paschalidis教授（ECE， BME， SE）说：“我们的想法是创建这些部门，这些部门可以跨越部门，并在不同部门的人员之间充当粘合剂，但这些人员使用共同的技术语言，在相同的应用程序空间或由类似的方法驱动的工作中工作。”
在担任院长后不久，肯尼斯·r·卢陈（Kenneth R. Lutchen）开始对学术单位进行审查，着眼于使学院的优势与新兴的社会需求保持一致；其成果之一是创建了两个跨学科部门，以补充传统的生物医学、机械、电气和计算机工程院系。
系统工程和材料科学与工程是两个非常通用的学科，几乎可以应用于每个领域，系统处理更抽象的过程和优化实践，材料与物理世界和事物的构成。不仅SE和MSE的主题都是独特的，而且划分的概念也是独特的。每个在一个部门任职或隶属的教员也在一个传统的学术部门任职，这个部门可以在工程学院内部或外部。学部的两个主要任务是作为澳门威尼斯人注册网站研究单位和授予硕士和博士学位，这使它们区别于也授予学士学位的特定学科系（尽管本科生可以在一个学部辅修）和不授予学位的澳门威尼斯人注册网站研究中心。
帕斯查里迪斯表示：“对当时的工程师来说，这确实是一件有远见的事情。“我认为它增强了学院的实力，因为与大学其他学院相比，我们学院的规模特别小，而且与其他机构相比也是如此。它使我们能够加强跨学科的工作，在部门之间建立桥梁，并减少部门之间的障碍。”
系主任David Bishop教授（欧洲经委会，物理学，MSE， ME， BME）和Christos Cassandras教授（欧洲经委会，SE）同意这一观点。
“当这两个部门成立时，他们必须在澳门威尼斯人注册网站研究方面建立自己的地位，并建立自己的权利，”迈克尔·卡拉马尼斯教授（ME， SE）解释说。“这花了一些时间，但到目前为止，他们已经取得了相当大的成功。”
在这种情况下，成功意味着增加他们的澳门威尼斯人注册网站规模，资金和入学人数——所有这些都表明澳门威尼斯人注册网站研究正在蓬勃发展——在过去的11年里，这两个部门都做到了。这两个部门的任命和附属教员总数从2008年的87人增加到现在的118人；SE的资金从2008年的2900万美元增加到2017年的4700万美元，MSE的资金从2200万美元猛增到8200万美元。从2008年到2017年，SE的澳门威尼斯人注册网站研究生入学人数从32人增加到67人，MSE的澳门威尼斯人注册网站研究生入学人数从20人增加到72人。
也许最能说明成功的标志是各部门之间的大量澳门威尼斯人注册网站研究合作。这些项目以不同的方式激发，从一个澳门威尼斯人注册网站研究人员向另一个澳门威尼斯人注册网站研究人员提供专业知识，到支持跨部门和学院的澳门威尼斯人注册网站研究项目的大笔资助。
这两个部门最近帮助获得了数百万美元的合作资助，涉及波士顿大学的其他学院和其他大学。2018年，毕晓普领导了一项努力，为该大学赢得了2000万美元的国家科学基金会（NSF）工程澳门威尼斯人注册网站研究中心，目标是为临床使用创造个性化的心脏组织。今年，帕斯查里迪斯作为首席澳门威尼斯人注册网站研究员领导了一个小组，该小组获得了国防部750万美元的拨款，用于开发仿生自主控制系统。
卡桑德拉斯认为，所有的工程澳门威尼斯人注册网站研究都沿着跨学科的道路前进，这些部门是为了追求而创建的。“从澳门威尼斯人注册网站研究的角度来看，这些部门是完全合理的，因为所有的工程都已经成为跨学科的，”他指出。“这就是为什么你会看到所有这些由不同部门的人参与的多项目。20年前这种情况会发生，但很少见。现在，这是规则。如果有什么不同的话，那就是我们将看到更多像SE和MSE这样的部门，因为澳门威尼斯人注册网站研究已经变得如此错综复杂。”
建设桥梁
Soumendra Basu教授（ME， MSE）记得在一次部门研讨会上与Siddharth Ramachandran教授（ECE， MSE）的偶然相遇，这是一项合作的催化剂，源于对NSF资助的讨论。
MSE副主任巴苏说：“材料科学部门请来了一位演讲者，谈论光纤，我们的常驻专家是Siddharth。”“我很了解他，但我们从来没有真正谈论过科学。所以我们参加了研讨会，然后我们在外面聊天，他说，‘是的，这是个大问题。在中红外波段确实没有好的纤维。所有的通信光纤都在可见光波段。’”
巴苏问他为什么会这样，两人深入澳门威尼斯人注册网站研究了这个问题，并开始讨论可能的解决方案。但是，对这些新颖想法的澳门威尼斯人注册网站研究都依赖于资金，而且由于像美国国家科学基金会这样的大型资助机构通常要求至少有一些证明澳门威尼斯人注册网站研究前景的初步结果，因此学院提供了像院长催化剂奖这样的种子资金资助，以帮助这些项目启动。
在获得该部门和学院的种子基金后，巴苏和拉马钱德兰开始了工作，然后申请了国家科学基金会的资助，并获得了超过44万美元的资助，以继续澳门威尼斯人注册网站研究。
“没有人比我更惊讶，因为我对光纤一无所知，我只知道加工，”巴苏承认。“所以这次研讨会和这个部门让两个人在两个完全不同的领域有了专业知识。”
最终，他们的项目生产出了中红外范围内效率最高的光纤。
即使在部门内部，专业知识也会有所不同。Elise Morgan教授（ME， MSE， BME）和Keith Brown助理教授（ME， MSE，物理学）都在机械工程领域担任主要职务，前者澳门威尼斯人注册网站研究生物材料的力学行为，后者澳门威尼斯人注册网站研究纳米技术和软材料。
他们的澳门威尼斯人注册网站研究合作探索了一种自主的方法来设计坚韧的分层材料，这是一个由MSE部门推动的项目。就像巴苏和拉马钱德兰的合作一样，摩根和布朗获得了院长催化剂奖。
布朗的实验室专注于开发新的方法，通常是工具，在中尺度——介于微观和宏观之间的物质水平（大约0.1毫米到1毫米）——澳门威尼斯人注册网站研究聚合物和软物质的特性。由于缺乏必要的工具，他对这种规模的材料特性缺乏了解，这促使他这样做。
“我在考虑一个3d打印系统，你可以创建一个结构，测试它，然后从中学习，”他说。“所以，如果你有一个自治系统，你可以给它一个假设，比如，‘我想知道什么样的结构会有最好的性能。’然后它会自动测试结构，并告诉你答案。”
“我逐渐明白，最有趣的问题之一是没有缺陷。在未来的替代品中，缺陷几乎是不可能避免的Vajda说，尽管这项工作有直接的影响，你可以问，材料是如何失效的？他继续说道。“失败真的很有趣，因为它很难模拟。一种材料或结构的行为是很清楚的，但当你把它推到开始崩溃的地步时，它就变得复杂得多。所以实验是非常必要的。”
布朗知道摩根的专长是骨骼生物力学：“当然，我们担心骨头会断裂，对吧？所以我们开始讨论如何从自动化澳门威尼斯人注册网站研究人员那里了解不同的故障机制。”
到目前为止，他们已经完成了自主系统的工作，并开始用它来测试结构。该系统将打印一个3D结构，将其从打印机中取出，放在秤上，然后压碎。它将记录下这个过程的每一个细节，创建一个庞大的结构数据库，并记录下它们在被压碎和可能发生故障时的行为。
摩根说：“我们的想法是，如果你有大量的数据，你可以使用深度学习方法来识别在特定特征上做得更好的结构，并对该区域进行更多的探索。”“我们的愿景是在一天内完成这么大的数量，而人类澳门威尼斯人注册网站研究人员可能需要几个月的时间来测试这个数量。”
而Brown和Morgan首先选择探索的属性是韧性，这与失败直接相关。
韧性和强度也是相关的，但它们是不同的特性。她说，玻璃实际上比钢更坚固——但前提是它没有缺陷。即使在最先进的制造过程中，缺陷也几乎是不可能避免的。
她解释说：“如果你的玻璃表面有划痕，它就会在比钢小得多的载荷下破裂。”“钢更能容忍缺陷，这意味着它比玻璃更坚韧。”
她说：“在材料和更广泛的机械工程领域，经过几个世纪的工作，我们已经擅长设计、制造和制造坚固的材料，但设计坚韧的材料肯定落后了。”“但事实证明，大自然非常擅长设计坚韧的材料。例如，考虑到骨头的成分，它的硬度出奇地高。”
骨头本身是由矿物质组成的，很脆，很坚韧，但不坚固。它附着在胶原蛋白上，胶原蛋白具有弹性和强度，但不一定坚硬。这两种材料共同创造了一个协同结构，提高了整个系统的韧性。但这两个组成部分一起工作的方式很复杂，而且还没有得到很好的理解。
摩根指出：“随着增材制造技术的进步，你可以做出非常复杂的分层组件设计。“找到最佳设计的限速步骤是测试它们并评估结果，但自主系统和机器人技术的进步使我们能够在很大程度上开放限速步骤。”
摩根说，这些新结构可以用于保护，比如头盔内部的护垫，未来还可能用于合成骨替代品。
整个系统——包括机器人元件和软件——花了大约一年的时间才建成。他们还请来了另一位教员，助理教授艾米丽·怀廷（计算机科学），帮助他们开发计算算法。这三人申请并获得了波士顿大学Rafik B. Hariri计算与计算科学与工程澳门威尼斯人注册网站研究所颁发的澳门威尼斯人注册网站研究孵化奖。
为了使系统具有自主性，而不仅仅是自动化，它需要在测试和评估阶段运行机器学习算法。当系统运行时，它会了解3d打印部件的故障，并可以根据过去的结果选择下一个设计来测试。
创造空间
除了创造新的合作之外，这些部门还帮助老部门引入新的资金和澳门威尼斯人注册网站研究生。Sandor Vajda教授（BME， SE）和Paschalidis教授在部门成立之前就已经在一起工作了，但他们从部门创造的合作空间中受益。
他们长达数十年的项目包括建立一个自动化服务器来预测一种蛋白质如何与另一种蛋白质结合或对接。从实验上讲，这是一个在生物实验室中很难解决的问题，但通过使用计算方法，他们已经开发出了预测蛋白质结构的方法。
Vajda说，尽管这项工作对生物医学领域有直接的影响，但这项工作需要在数学和计算方法方面有很强的背景，这是系统工程澳门威尼斯人注册网站研究生通常具备的技能。现在，在SE的指导下，Vajda和Paschalidis可以让这些学生参与计算量很大的项目，他们不需要化学或生物背景。他们可以从另一个角度来看待问题，而不是从生命科学的角度来看待问题。
正是这种多功能性使得这两个澳门威尼斯人注册网站研究领域如此广泛。例如，Paschalidis合作的项目涉及许多不同领域，包括蛋白质对接、优化旅行路线以减轻交通拥堵，以及预测和监测医院的辐射暴露水平。
这两个影响深远的学科，虽然非常不同，但都大量参与了帮助解决气候变化危机的澳门威尼斯人注册网站研究。SE的澳门威尼斯人注册网站研究人员试图优化智能电网以减少用电量，MSE的澳门威尼斯人注册网站研究人员正在开发更有效的可再生能源发电和储存的新材料。
毕晓普说：“我认为，像波士顿大学这样伟大的澳门威尼斯人注册网站研究型大学，在道义上有义务澳门威尼斯人注册网站研究重大问题。”“我们很幸运，过着非常舒适的生活，我认为这伴随着关注一些重大问题的责任，这些问题从根本上需要跨学科的澳门威尼斯人注册网站研究。”