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游刃光纤之间 领悟科学真谛——高速光通信系统的先行者电信学院二级教授梁安辉侧记

发布时间:2021-03-22  点击:


“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。”

山东科技大学二级教授、光纤通信与生物光学交叉学科研究中心主任梁安辉的科研之路,就是在这样的探索中砥砺前行的。翻看梁安辉的履历,他的足迹踏遍尖端的光纤通信及生物光学领域,在科研战场上,他始终不忘初心,兢兢业业,做出几个零到一的颠覆性研究,在科技创新的大道上阔步前行。

载誉归来 学以报国

梁安辉是位拥有强大创新能力的科研人员,在他看来,科研是件严肃的事情,不经意间的失之毫厘,往往会谬以千里,所以,他谨慎地对待每一次创新,正是这样的认知,让他在世界上创造了多个首次。

做零到一的颠覆性研究,需做长期的努力。钻研几十年,梁安辉在世界上首先提出了一对比著名的海森堡测不准原理更为精确的公式,当用它们解释量子纠缠态时,可比测不准原理精确107至109倍。量子不确定性和非局部性背后是否有更深刻的原理?该问题被《科学》杂志列为125个难题中的之一,梁安辉首先破解难题,发现了能量不确定性与非局域性关系的等式。

梁安辉在业内颇具盛名,早在香港和日本学习工作时,高速光通信系统就是其主要研究方向。1999年,梁安辉加入原贝尔实验室的海底光缆分部任高级研究员。后来,他在硅谷设计出了世界首个商用的40G光收发器,在高速光纤通信系统取得了重大突破。

一个年轻的科研人员,自然备受业界期待,而梁安辉也不负所望,继续用创新续写精彩的光纤故事,从人眼上的光纤到仿生光通信再到人体光纤通信,他走出了一条独具特色的生物光学之路。

“对任何一个漂泊在外的人,家都是最温暖的地方。”所以,梁安辉载誉归国,光通信与生物光学也成为他回国后选定的研究方向。

在多年的研究中,梁安辉首先发现动物中有生物二极管,发现脊椎动物视网膜上的视锥、视杆是生物二极管,并且是量子阱/超晶格生物光电二极管探测器。在此基础上,2020年,他提出突触(包括神经元与神经元之间的突触,神经元与肌肉细胞之间的突触)至少含有一个半导体PN结,突触前膜、突触间隙、突触后膜(或肌肉细胞)等构成了生物二极管或三极管。

科研成就多个“首次”

人及动物为什么要睡眠?该问题被《科学》杂志列为125个尚未解决的难题中的之一。2020年,梁安辉对此作出了科学的解释。他认为,动物要睡眠是想要大幅降低线粒体与染色体的温度(可降低十几度),这样会导致大幅降低突触(附近有线粒体)及神经细胞核(含有染色体)的温度,这样可使有PN结的突触减少老化以延长动物寿命,线粒体处于休眠状态,也减少老化以延长动物寿命。他的理论也可解释为何大部分陆地动物在白天活动,晚上睡觉,因为通常晚上光强度和温度比白天低,便于降低线粒体与染色体的温度,从而有利于连续睡觉。

梁安辉继续深入研究,首次提出当人睡眠太少时,有PN结的突触会老化甚至会被击穿。他提出阿兹海默症的主要原因是突触PN结击穿,击穿的机理有三种:热电击穿、雪崩击穿和隧道击穿,特别是热电击穿是永久破坏性的。这也可以解释了为何长期睡眠少的人容易得阿兹海默症,是因为有PN结的突触长期热的烧坏了。梁安辉的新理论为阿兹海默症的诊断及治疗提供了新思路,比如研发能使得突触PN结降温的药物及方法等。

“抽丝剥茧的过程,会让你发现很多奇妙的存在。”比如,在解决“基因组中端粒和丝粒的作用是什么?”这一被《科学》杂志列为125个尚未解决的难题之一的过程中,梁安辉就首先发现了染色体是光纤耦合器,有的染色体是光纤激光器。他首次提出了有的端粒是激光器的端面是增反膜,有的是减反膜,丝粒是光纤耦合器交叉处。在世界上首先提出染色体可在人体中的自然状态下形成许多光纤器件,包括光纤激光器、光纤放大器、光纤调制器、可饱和吸收体等,不仅在细胞之间而且在细胞内也有光纤通信系统,染色体及细胞核在该光纤系统中具有重要作用。他首先提出在细胞分裂中期,所有染色体在赤道面上排列形成一个光纤系统。有丝分裂中期,人的第13、14、15、21和22号染色体的一端有随体,他认为这5对随体合在一起形成5个波长的激光器。这些染色体光纤器件及光纤系统可能在细胞复制及生理上起着重大作用,但人们尚未注意到。衰老与癌症是当今世界上重大的研究课题,他在世界上首先提出当细胞衰老及癌变时,其染色体上端粒的光学特性将发生改变从而影响染色体激光器的性能,使得染色体激光器的性能降低甚至停止工作。在世界上首先发现了在自然状态下的细胞激光器,如分裂中期的动物和植物细胞,蓝藻和双鞭毛藻。

除此之外,梁安辉在世界上还首先发现人眼视网膜上及脑内有生物三极管,这是人体乃至动物体内首先发现有生物三极管。他在世界上首先提出视锥、视杆细胞末端的细线(ribbon)与囊泡一起构成了一个有纳米线的三极管,囊泡里的谷氨酸盐带负电,构成了栅极,其结构非常类似于传统的纳米线MOSFET三极管,该结构可以在室温甚至体温下进行较大的电流放大。他在世界上首先提出双极细胞末端的细线(ribbon)与囊泡一起构成了一个有纳米线的三极管。首次发现人脑中可以有生物三极管(如两个神经元与一个神经胶质细胞组成了一个纳米三极管,两个神经元与一个神经胶细胞瘤组成了一个纳米三极管等)。意识的生物学基础是什么?该问题也被《科学》杂志列为125个尚未解决的难题之一。他提出:意识的生物学基础包括:生物三极管、生物时钟恢复、生物调制格式、生物编码与解码;传感器与神经中枢之间互相通信;各传感器之间相互协调;含有至少一个PN结的突触;有生物三极管、生物二极管等支撑的记忆。

他在世界上首先发现了人眼中相邻视锥是光纤耦合器,用光纤理论统一对立了一百四十多年的两个色觉学说——三原色说和对立色学说。这是在脊椎动物内首先发现有光纤耦合器。他在世界上首先发现了人眼及脊椎动物视网膜上的生物的光学AI,解答了长期以来的难题:为何脊椎动物的视网膜是倒置的?有人认为可能是上帝做错工作了。他提出脊椎动物利用无源光学(如光纤耦合器)进行颜色预处理,这样可大大减少能量消耗和减少延迟,因为脊椎动物的视网膜上光感受器及神经细胞很多,若用正置的视网膜处理颜色信息能量消耗和延迟将要大得多。他还首先在世界上发现人的视网膜上的无长突细胞负责生物时钟恢复,他认为阿兹海默疾病可能与无长突细胞的时钟恢复功能退化及大脑中的时钟与信号的不同步有关。他还首先在世界上发现人的视网膜上的生物调制格式。另外,他还模仿人眼做仿生光学人工智能,可节能几十万倍,并且低延时。

1992年,喜欢研究中国传统医学和经络理论的梁安辉在中医与光学中也找了结合点,他在世界上首次提出了经络是生物光纤、人体也是光纤通信系统的理论,该理论已被实验部分证实。他说,人体不仅是光纤通信系统,还是针对体温,应力等的分布式光纤传感系统,分布式控制系统。这就如同最新一代的分布式电脑网络一样。他在去年做了两场与中医经络及意识的生物学基础相关的大规模网上讲座,当时有24.7万国内外听众收听。未来,他将继续用时间和成果进一步验证传统中医理论的价值。

兴趣延展 实现梦想

从事科研的梁安辉,在兴趣中,也发现了更多的、值得深入研究的理论,酷爱黄金分割点的他,就成功发现了许多研究领域中新的黄金分割点,如颜色、温度、人体、听觉、健康、古迹、经济与商贸、人文等。他是目前世界上第一个也是唯一一个研究颜色的黄金分割点的人,用他的黄金分割理论能够解释为何人看到蓝天很舒服,看到绿叶很舒服。

经过一番深入研究,他率先发现了温度的六阶黄金分割点周期表,就像门捷列夫发现的化学元素周期表在化学中起着非常重要的作用一样,温度的黄金分割点也存在类似的周期表。他提出了恐龙灭绝新理论,认为是地球温度升高主要是导致了恐龙受精卵死掉,而不是主要导致了恐龙本体死掉。

科研是梁安辉的兴趣,亦是他实现中国梦的渠道。就像在《插上梦想的翅膀》一书中,他所阐述的,“要融合中国古代、现代的智慧及世界各种先进的技术与方法,在中国做出对中华民族乃至世界文明有重要意义的科技重大发明和发现,造福中华民族乃至全人类。”(电信学院供稿)


梁安辉在指导学生科研

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