0. 研究动机与学术理念
生命系统与材料物理的认知关乎社会核心需求：从智力生成到癌症发生的健康挑战；从气候变化到疫情管控的生态议题；从功能设计到智能制造的材料突破。众多产业枢纽围绕这些科学命题汇聚——活细胞成像、类脑人工智能、先进材料和制造、癌症防治、生态保护区建设，纳米光学和递送，以及多模态多组学分析等领域应运而生。这些复杂性问题已超越传统生物学、物理学与化学的单一学科框架，亟需打破学科壁垒。实践需求正倒逼基础科学知识的快速积累与迭代演进。李博教授实验室以跨学科研究为基石，致力于以系统化视角概念化并推进具有长期价值的重大基础科学问题。
1. 复杂物理微环境中的多细胞生命过程
生命活动始终在与环境的持续互动中展开。当物理与化学因素达至平衡时，机体方能实现稳态最优运行。还原论方法在解析单细胞内部分子机制方面成就斐然——中心法则揭示，即便单个细胞中，细胞核活动与细胞骨架蛋白亦持续响应外部环境变化。然而，多细胞群落作为整合系统运作时，细胞间通信将催生全新行为模式。从神经网络信号传导、癌症转移至胚胎发育，众多生命过程皆根植于此。生物系统的极端复杂性要求我们采用系统化研究视角。本方向通过跨学科方法，致力于捕捉复杂微环境中多细胞生命过程的原始动态变化。
该方向的代表性课题包括：
王政铎关于癌细胞簇在缺氧环境中的适应性机制的研究。
王政铎关于活体斑马鱼神经系统发育动态解析。
冷叶情关于循环肿瘤细胞在复杂血管网络中的归巢行为。
我们关于环境驱动集体演化的研究，包括缺氧/病毒侵染（共进化）/空间竞争/温度/基质刚度等因素下癌细胞与上皮细胞的协同演化机制。
2. 动物群体动态性状及其生态学意义
当动物以群体形式行动时（如塞伦盖蒂的角马群），它们展现出极其丰富的集体行为与生存策略。这些精妙行为模式背后，蕴藏着对物种至关重要的生态功能，同时也为人工群体系统的设计提供启示。神经状态、年龄、群体规模等生理因素持续塑造动物的社会模式。当引入外部环境变量时，系统复杂性剧增：动物不仅通过个体间复杂互动实现环境感知与适应，甚至能主动改造生存空间。我们提出，集体行为本质上是动物群体尺度的表型。而反向思考——群体性如何塑造神经系统、催生个体内乃至跨脑的社会智能——已成为生命科学的核心命题。本方向通过物理学与生物学的融合方法，致力解析动物系统的复杂性。
该方向的代表性课题包括：
陈名洋关于斑马鱼群集体行为建立机制的研究 。
王佩诗关于斑马鱼对外界刺激的群体性和社会性响应策略的研究。
我们关于群体行为与神经机制，即动物社会行为与神经活动/大脑响应关联的探索。
我们关于复杂生态位中蚂蚁的社会交互的探索。
3. 软物质中的凝聚态物理
以胶体、铁磁流体、织物等为代表的软物质体系展现出从微观到介观尺度的丰富结构演化与动力学行为，并与凝聚态物理、流体力学及细胞生物学深度交叉。以微米级胶体粒子为例，其尺寸、形态与相互作用可精准调控，堪称可设计的"大原子"。这些基元可组装形成多样结构与物相，其热运动行为可通过光学显微镜实时追踪，为研究原子/分子材料的相变行为（尤其快速动力学行为等传统手段难以捕捉的微观信息）提供了理想模型体系。胶体粒子在高端产业中应用广泛，涵盖纳米光子学、光学调制、研磨抛光、细胞分选、基因测序及药物递送等领域。从热力学与统计物理视角，我们聚焦玻璃化转变与凝胶网络两大方向，同时开拓织物与铁磁流体系统中的前沿问题。
该方向的代表性课题包括：
我们在凝胶网络力学响应，即流变扰动下凝胶网络的协同力学行为上的合作研究
任文生在三维胶体玻璃表面物理上的研究
任文生在胶体粒子高质量合成上的研究
张逸凡在流体-磁-密度耦合诱导的复杂流动上的研究
我们在拉伸条件下织物网络演化过程中的摩擦效应与断裂机制探索
4. 基础科学研究中的人工智能赋能
我们致力于推动人工智能（AI）与基础科学的双向赋能。以快速发展的显微技术为例，图像处理已成为生物学与材料科学不可或缺的工具——从图像中高效提取科学信息并分析数字化数据，不仅能实现更可靠的量化表征，甚至可催生全新发现。神经网络技术正应用于三大方向：细胞群落的3D分割建模、多动物系统动态平衡追踪（如蚁群/鱼群）、胶体材料快速动力学数据的3D粒子追踪。与此同时，基础科学原理亦反哺AI架构设计：类脑智能与逆向扩散训练机制等创新范式，皆源于对自然规律的深刻洞察。
该方向的代表性课题包括：
陈名洋关于动物群体（蚁群/斑马鱼群）动态姿态追踪算法开发
我们在三维细胞结构分割与重建方法优化上的探索
前瞻：打破学科疆界，驱动融合创新
李博教授实验室构建的跨学科协作模式，正持续驱动上述四个研究方向的协同演进。诚如古语所云：“他山之石，可以攻玉”。我们期待不同背景的研究者通过建设性互动，既在基础科学前沿开创新知，亦为实际应用场景贡献智慧。
附录.李博博士过去的代表性工作
A06. （未发表）金鱼社会行为对环境线索的适应性研究。群体规模与年龄等生态因子显著调控其觅食与集群策略——群体协作使迷宫觅食效率倍增，且鱼群更倾向在生态位中央区域延长集群时间。高龄鱼群因心理生理状态成熟表现出更强行为协调性，训练实验证实高龄群体及大规模鱼群对陌生生态位适应速度提升超40%。尤为重要的是，在局部拓扑结构相似的迷宫区及五联限域生态位中，鱼群社会模式呈现惊人趋同。而通过镜像诱导错觉破坏视觉集体感知时，群体性行为即刻瓦解，印证了环境拓扑结构对社会行为的决定性影响。
A05. （未发表）上皮细胞集体迁移研究揭示新型瓶颈穿越机制。当细胞群体遭遇狭窄通道时，先锋细胞率先伸长并加速进入通道，而远端细胞则脱离管壁同步加速，其长程关联效应向上游延伸形成逆向协同；分子机制层面，肌动蛋白皮层强化与钙粘蛋白密度增高形成外周收缩带，促使细胞群在向通道入口逼近时渐进缩窄——反直觉的是，这种逆向集体收缩反而提升运输效率30%以上。该发现阐明分子水平力学调控因子不仅控制单细胞运动，更通过跨尺度传导驱动群体适应性重构，印证了细胞群落作为整合系统的协同适应性机制。
李博士进一步通过高强线性切割激光解构细胞群落外周F-actin束带，发现该结构实由微丝束捆绑形成。伴随肌动蛋白束的分散，邻近细胞从拉伸态松弛，群落重组即刻终止，证实F-actin束带调控内部细胞结构与动力学。另一实验中，对钙粘蛋白标记的边缘连接点进行温和点切割后，通过计算回缩速率量化切割位点局部张力：边缘区域皮质快速回缩（反映高强度机械张力），而主体区域因无载荷而无法实现伤口自修复。如上图所示，这些结果共同印证了新型迁移场景的力学调控机制。
A04. （未发表）基于网络表征的鱼群警报信息传播研究。如下图所示，本研究旨在解析鱼群对外界刺激的响应机制：通过向鱼群注入水滴扰动后，追踪其时序网络的动态演化过程。通过标记个体可变状态（如未响应态、感染态及恢复态），我们成功重构了信息传播的动力学路径。
A03. 生物与化学系统的图像分析研究。李博士在跨学科合作中开发了适用于多种体系的图像处理算法，可精准获取研究对象的形态学信息：针对分散体系（如相分离形成的液滴、液相透射电镜下的DNA分子），实现了目标物位置与边界的动态追踪；对于高密度体系（如融合状态的上皮细胞），则通过生物标记物荧光强度解析细胞边界与核区结构。近期进一步采用人工智能方法，成功实现了qPCR信号增强、细胞分割及鱼类姿态检测等功能，相关成果汇总于下图。
A02. 基于激光镊子技术的玻璃化转变笼状结构形成机制解析。2018年，我们开发了胶体玻璃研究新策略：利用飞秒脉冲激光精准"踢动"单个颗粒实现主动扰动，结合经典视频显微技术监测体系响应。这一概念验证性方法首次揭示笼状结构形成是非线性动力学过程，研究发现玻璃化转变起始点出现的非单调特征长度尺度源于动态晶粒的凝聚效应，相关成果概要如下图所示。
A01. 胶体晶体表面物理研究。2013年，李博士通过引入可调节的粒子间长程吸引作用，成功制备出具有自由表面的大尺寸胶体晶体，这一实验突破为利用胶体体系研究晶体表面物理提供了新途径。研究首次观测到表面预熔现象并发现表面固-固相变。李博士从理论上提出表面预熔与表面固-固相变可用统一的润湿理论框架解释。表面液态层与表面晶态层厚度呈现的普适幂律增长规律验证了该理论，相律分析与表面晶相适配研究进一步佐证了这一统一图像，相关研究成果概要如下图所示。
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