2026年5月7日——当飞机穿越湍流、桥梁在繁忙交通中摇晃、或建筑物在地震中震动时，无形的能量波会在支撑它们的材料中传播。在造成损坏或失效之前控制这些振动，是现代工程中最重要且最具挑战性的问题之一。

佛蒙特大学机械工程助理教授马继红正在用一种新颖的方法应对这一挑战：借鉴量子力学原理，并将其应用于传统上使用经典力学研究的问题。她的创新方法为她赢得了极具竞争力的美国国家科学基金会（NSF）职业奖（CAREER Award），这是科学和工程领域针对职业生涯早期教师最负盛名的荣誉之一。

职业奖在支持具有现实影响力的前沿研究的同时，也强调与教育和推广活动的紧密结合。该奖项表彰在研究和教育方面展现出卓越潜力的教师，标志着其所在领域成为引领者的潜力获得国家认可，同时推动NSF扩大科学和工程参与度的使命。

用量子视角重新思考振动

传统的振动控制策略依赖于经典力学方法，这些方法将振动视为物理空间中可预测的运动。虽然在许多情况下有效，但在极端条件下，或当结构存在缺陷、磨损或意外干扰时，这些方法可能力有不逮。

马的研究采取了不同的方法。她的工作受量子启发，即借鉴最初用于描述自然界最小尺度现象的原理，并将其应用于大型经典系统。马并非仅仅将振动视为可直接观察的运动，而是将其作为波来研究——类似于光或电子。这一视角为控制振动的移动、相互作用和消散方式开辟了新的可能性。

通过量子视角研究波的行为，马旨在揭示新的弹性动力学特性——即振动如何在变形后恢复原状的材料中传播——并开发更有效的控制方法。

“量子力学和经典力学通常被视为两个独立的世界，”马说道。“我的研究就是在它们之间架起一座桥梁。”

经典力学描述了我们通常体验到的物理世界：物体具有确定的位置和速度，其运动遵循可预测的规律。相比之下，量子力学适用于小得多的尺度——例如原子和亚原子粒子——在这些尺度下，确定性不复存在，行为用概率来描述。连接这两个框架颇具挑战性，但也为理解和控制物理系统创造了新的可能性。

跨学科构建的职业生涯

马连接经典与量子视角的能力，源于她跨学科的学术背景。她在本科阶段开始学习工程力学，随后在明尼苏达大学攻读博士学位期间转向量子物理学，其博士研究侧重于使用原子模拟（在原子尺度研究材料的计算机模型）进行纳米尺度的热传输研究。

她在明尼苏达大学双城分校担任土木、环境与地质工程博士后研究员期间，继续从事这项跨学科工作，研究拓扑超材料，之后加入橡树岭国家实验室的纳米相材料科学中心，担任软物质研究员。

“经典力学和量子物理学的结合塑造了我进行研究的方式，”她说道。“这个项目实际上是我所有工作的交汇点。”

2020年加入佛蒙特大学后，马建立了先进材料实验室，她的研究生和本科生研究团队通过理论分析、计算模拟和实验测试来提升材料性能。

超越材料属性的超材料

马实验室的两个重点研究领域包括纳米材料（尺度范围从1到100纳米的微小结构）和超材料（其行为更多取决于内部结构而非组成材料的工程结构）。

“Meta意味着“超越”，”马解释道。“最重要的不是材料本身，而是我们设计的结构。”

由于当前现实世界中的方法通常难以实时检测和应对危险振动，马的研究希望通过开发既能定位振动（将其限制在安全区域），又能高精度实时测量其强度的系统来弥补这一差距。

通过使用具有精心设计连接的分层复合超结构，马和她的团队旨在创建既能定位振动，又能高精度实时感知其振幅的系统。这种双重能力弥补了当前振动控制技术的一个主要空白——这些技术通常关注振动的传播路径，而非其强度。

更安全的基础设施、航空航天等领域

马研究的潜在应用范围广泛。不受控制的振动是桥梁、建筑物、飞机、车辆和工业设备机械故障的主要原因，这带来了安全风险，并每年造成数十亿美元的维修和停机损失。

通过开发抑制振动和控制波的新原理，马的工作有望带来更安全的飞机发动机、更具韧性的基础设施，以及从大型结构到微电子设备等敏感元件的更好保护。

她方法最强大的方面之一是其可扩展性。“这些机制并不局限于特定尺寸，”马说道。“它们可以放大用于保护桥梁，也可以缩小用于微芯片。”

由于这些振动控制策略更多地依赖于结构而非材料，它们还可以以非常规的方式进行调整——从排列树木以帮助减轻地震波，到在生物医学工程中实现新的应用。

从理论到实验室——再到课堂

尽管基于先进理论，马的研究远非纯粹的抽象概念，并且采用了严格的实验验证。通过使用其实验室设计的3D打印超结构，以及基于激光的精密测量技术，她的团队可以高精度地直接观察振动如何在这些系统中传播，并评估其响应效果。

包括深度学习算法在内的先进计算工具，在优化这些设计方面也发挥着越来越重要的作用——帮助预测振动行为并更有效地优化结构。

NSF职业奖项目也高度重视教育和推广活动；马认为这是其工作不可或缺的一部分。虽然马的先进材料实验室目前已有本科生和研究生参与，但该奖项将使该项目能够扩大大学层面的指导机会，支持开发一门关于量子启发振动控制的研究生新课程，并扩大与K-12学生的接触，向他们介绍跨学科的工程概念。

为了让研究更易于理解，马还计划创建互动工具，让学生和公众能够直观地看到振动如何在结构中传播，从而加强研究与教育之间的联系。

塑造动力学控制的未来

通过用量子启发的框架重新构想振动控制，马继红的工作可能会改变工程师设计安全性、韧性和性能的方式。同样重要的是，它正在帮助培养新一代乐于跨越传统学科边界的工程师。

“一些最激动人心的突破发生在不同领域交汇之时，”马说道。“这正是这项研究的核心——以新的方式结合各种想法来解决现实世界的问题。”