應(yīng)用于蒙華鐵路白城隧道的世界首臺(tái)馬蹄形掘進(jìn)機(jī)
新生兒采足跟血檢測(cè)遺傳性耳聾
腦起搏器工作原理示意圖
庫(kù)布其沙漠防治工程實(shí)施后的景觀鳥瞰圖
車載式低量風(fēng)送高射程噴霧機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)
2019年新年伊始，一年一度的科技界盛會(huì)——國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)如期而至。
在2018年度的獲獎(jiǎng)項(xiàng)目名錄里，異形掘進(jìn)機(jī)、林業(yè)病蟲害防治、腦起搏器、遺傳性耳聾基因診斷芯片、風(fēng)沙災(zāi)害防治……這些鮮為人知的科技，有的解決了世界性難題，有的填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，還有的達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。它們將顛覆和超越進(jìn)行到底，改變著國(guó)計(jì)民生。
異形掘進(jìn)機(jī) 狹窄地下空間打洞游刃有余
日常生活中，對(duì)隧道建設(shè)稍有了解的人都知道，開挖隧道離不開掘進(jìn)機(jī)，而圓形掘進(jìn)機(jī)是最為常見的隧道掘進(jìn)設(shè)備。對(duì)于鬧市區(qū)下穿隧道或是地鐵出入口這種淺覆土、狹窄空間的施工條件，則需要對(duì)掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)行變形、升級(jí)，這樣的設(shè)備，我們稱之為“異形掘進(jìn)機(jī)”。
1月8日，在人民大會(huì)堂召開的2018年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，“異形全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目獲2018年度國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。該項(xiàng)目第一完成人、973項(xiàng)目首席科學(xué)家、中鐵工業(yè)總經(jīng)理李建斌介紹，該項(xiàng)目歷經(jīng)10余年產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同攻關(guān)，突破了異形全斷面掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，一舉解決了異形掘進(jìn)機(jī)方面的世界難題，標(biāo)志著我國(guó)異形掘進(jìn)機(jī)技術(shù)已經(jīng)居于國(guó)際領(lǐng)先水平。
目前，中鐵工業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了異形掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)業(yè)化，其自主研制的異形掘進(jìn)機(jī)系列包括超大斷面矩形掘進(jìn)機(jī)、馬蹄形掘進(jìn)機(jī)、U形掘進(jìn)機(jī)等，并形成了系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)制造方法與技術(shù)。中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑒定，該成果填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外異形掘進(jìn)機(jī)技術(shù)空白，多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。相比常規(guī)的圓形掘進(jìn)機(jī)，異形掘進(jìn)機(jī)在適應(yīng)淺覆土、狹窄空間工況的同時(shí)，其斷面利用率大、施工成本低、對(duì)地面擾動(dòng)小，且安全環(huán)保，提升隧道空間利用率高達(dá)20%，主要用于城市下穿隧道、地鐵口等工程作業(yè)。它不僅促進(jìn)了地下空間開發(fā)新工法與新設(shè)備的協(xié)同創(chuàng)新，更引領(lǐng)了地下空間開發(fā)領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步，對(duì)實(shí)現(xiàn)城市綠色建造具有重大意義。
2013年，中鐵工業(yè)旗下的中鐵裝備研制成功當(dāng)時(shí)世界上最大斷面的矩形掘進(jìn)機(jī)，并成功應(yīng)用于鄭州市中州大道下穿隧道工程，開啟了國(guó)內(nèi)城市隧道建設(shè)新模式，被業(yè)界譽(yù)為“治堵利器”。
在杳無(wú)人煙的毛烏素沙漠，中鐵工業(yè)創(chuàng)新研制的世界首臺(tái)馬蹄形掘進(jìn)機(jī)實(shí)現(xiàn)了蒙華鐵路白城隧道的正式貫通，在它的掘進(jìn)過(guò)程中，不僅創(chuàng)下了一系列世界施工紀(jì)錄，更帶來(lái)了一種更為綠色環(huán)保、人性化的工法傳奇，隧道工人們?cè)趧谧髦啵踔量梢宰诰蜻M(jìn)機(jī)的休息室內(nèi)，品嘗上一杯香濃的盾構(gòu)咖啡，在業(yè)界一時(shí)傳為美談，被譽(yù)為“毛烏素沙漠的當(dāng)代傳奇”。
“黑盒”思路 顛覆式互操作打破信息孤島
信息技術(shù)20多年的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，形成了數(shù)百萬(wàn)計(jì)的信息孤島，其中蘊(yùn)藏了富含價(jià)值的海量數(shù)據(jù)，特別是政企內(nèi)部的信息系統(tǒng)，是基于數(shù)據(jù)融合分析來(lái)輔助決策的主體。打破信息孤島，實(shí)現(xiàn)其業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和功能與第三方系統(tǒng)的高效互操作，已成為大數(shù)據(jù)發(fā)展的重大需求，是制約大數(shù)據(jù)價(jià)值鏈上下游的卡脖子技術(shù)，也是公認(rèn)的世界級(jí)挑戰(zhàn)。
據(jù)中國(guó)科學(xué)院院士梅宏介紹，傳統(tǒng)互操作技術(shù)采用“白盒”思路，在全面了解信息孤島內(nèi)部實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上進(jìn)行手工改造，效率低、成本高、風(fēng)險(xiǎn)難控。“云—端融合系統(tǒng)的資源反射機(jī)制及高效互操作技術(shù)”項(xiàng)目，提出了顛覆式的互操作技術(shù)途徑——“黑盒”思路。該技術(shù)將信息系統(tǒng)視為黑盒，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)客戶端的外部監(jiān)測(cè)與控制來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和功能的高效互操作，消除了系統(tǒng)源碼、數(shù)據(jù)庫(kù)表、后臺(tái)權(quán)限、原開發(fā)團(tuán)隊(duì)等“白盒”依賴，發(fā)明了人機(jī)協(xié)同的互操作接口自動(dòng)化生成方法，代碼生成率超過(guò)95%，信息孤島開放效率平均提升2個(gè)數(shù)量級(jí)。該項(xiàng)目榮獲2018年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
目前，由該項(xiàng)目成果轉(zhuǎn)化研發(fā)出的燕云平臺(tái)已廣泛應(yīng)用于北京、貴陽(yáng)、上海等多地的智慧城市建設(shè)，如北京西城街道的數(shù)字紅墻系統(tǒng)，浙江最多跑一次商事證照登記聯(lián)辦都是燕云平臺(tái)支撐的便民服務(wù)應(yīng)用；在工業(yè)大數(shù)據(jù)領(lǐng)域應(yīng)用于能源、紡織、食品等多個(gè)行業(yè)，成為大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的一項(xiàng)共性關(guān)鍵技術(shù)。
精準(zhǔn)殺蟲 有效撲滅“無(wú)煙的森林火災(zāi)”
我國(guó)人工林病蟲害發(fā)生面積約占林業(yè)有害生物總發(fā)生面積的80%。林業(yè)病蟲害是“無(wú)煙的森林火災(zāi)”，不僅危害嚴(yán)重、損失巨大，而且在防治上具有艱巨性和長(zhǎng)期性，直接威脅生態(tài)安全。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)林業(yè)病蟲害防治施藥專用裝備一直處于空白。
由南京林業(yè)大學(xué)、南通市廣益機(jī)電有限責(zé)任公司完成的“林業(yè)病蟲害防治高效施藥關(guān)鍵技術(shù)與裝備創(chuàng)制及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目針對(duì)植株高大、冠層濃密、病蟲害突發(fā)性強(qiáng)、蔓延迅速等林業(yè)病蟲害的重大防治難題，創(chuàng)造性地開展了以“高射程”“強(qiáng)穿透”“高附著”和“精確對(duì)靶”為防治需求的施藥關(guān)鍵技術(shù)研究，研制了多元化、系列化、自動(dòng)化及多功能集成的林用施藥裝備并產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用。該成果獲得2018年度國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人南京林業(yè)大學(xué)教授、江蘇省重點(diǎn)學(xué)科“機(jī)械工程”學(xué)科帶頭人周宏平介紹，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)建立了射程高、穿透性強(qiáng)、沉積效果好的施藥技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了從地面到空中、從低矮苗木到高大林木病蟲害的快速高效立體防治；首次提出了林木冠形特征獲取及實(shí)時(shí)分析方法，構(gòu)建了多源信息融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了精確對(duì)靶變量施藥；創(chuàng)制了多元化、系列化、自動(dòng)化及多功能集成的林用施藥裝備，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化和推廣應(yīng)用。
“我們還創(chuàng)制了地面與空中防治結(jié)合、車載與便攜式結(jié)合、機(jī)械化與自動(dòng)化結(jié)合的7個(gè)類別、18個(gè)型號(hào)的系列化、多功能集成的立體式林用高效施藥裝備，其最大垂直射程45米，最大噴煙量420升/小時(shí)，生物農(nóng)藥活性90%以上，農(nóng)藥有效利用率50%以上，地面最高作業(yè)效率噴霧360畝/小時(shí)、噴煙690畝/小時(shí)；首次制訂了本項(xiàng)目成果的林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，保證項(xiàng)目技術(shù)規(guī)范及順利實(shí)施；形成林用施藥裝備的規(guī)模化生產(chǎn)能力及廣泛推廣應(yīng)用，覆蓋全國(guó)各地，出口14個(gè)國(guó)家和地區(qū)，累計(jì)產(chǎn)值10.77億元。”周宏平說(shuō)。
令人欣喜的是，近3年來(lái)，地面病蟲害防治機(jī)械新增產(chǎn)值4.1億元，新增利潤(rùn)4135.2萬(wàn)元。10多年來(lái)，地面和空中防治裝備累計(jì)防治面積達(dá)5.4億畝次，有效控制了病蟲害的發(fā)展和蔓延。
防治沙災(zāi) 茫茫大漠中蕩出“綠色方舟”
中國(guó)的風(fēng)沙災(zāi)害主要發(fā)生在干旱、半干旱和部分半濕潤(rùn)地區(qū)的約167萬(wàn)平方公里的區(qū)域，影響范圍大、發(fā)生頻率高，嚴(yán)重影響國(guó)家生態(tài)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，并威脅到區(qū)域人類的生存與發(fā)展。
由中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所、億利資源集團(tuán)有限公司、中鐵西北科學(xué)研究院有限公司、青藏鐵路公司、敦煌研究院完成的“風(fēng)沙災(zāi)害防治理論與關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用”項(xiàng)目面向國(guó)家風(fēng)沙災(zāi)害與沙漠化防治的迫切需求，系統(tǒng)開展了風(fēng)沙災(zāi)害防治理論研究與關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，取得了一系列理論創(chuàng)新和技術(shù)集成創(chuàng)新成果。該成果獲得2018年度國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所所長(zhǎng)王濤介紹，在創(chuàng)新性理論方面，項(xiàng)目系統(tǒng)識(shí)別了中國(guó)風(fēng)沙危害的類型、程度與成因，建立了風(fēng)沙危害評(píng)估方法并給出其時(shí)空格局量化結(jié)果；闡明了風(fēng)沙危害的物理學(xué)與生物學(xué)耦合機(jī)理；形成了防沙治沙的恢復(fù)生態(tài)學(xué)理論；總結(jié)完善了防沙治沙理論體系，發(fā)展了中國(guó)風(fēng)沙防治工程學(xué)。
“在創(chuàng)新性技術(shù)方面，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)了半干旱沙區(qū)裸露創(chuàng)面快速穩(wěn)定恢復(fù)技術(shù)體系；創(chuàng)新了干旱沙區(qū)植被穩(wěn)定建植的流沙固定技術(shù)與模式；研發(fā)了極端干旱區(qū)自然文化遺產(chǎn)保護(hù)修復(fù)治理關(guān)鍵技術(shù)體系；研發(fā)了寒旱區(qū)鐵路風(fēng)沙災(zāi)害防治的關(guān)鍵技術(shù)體系；創(chuàng)新了風(fēng)沙防治產(chǎn)業(yè)化技術(shù)體系和模式；創(chuàng)新了政府扶持、企業(yè)主導(dǎo)、科技支撐、農(nóng)牧民參與的‘政產(chǎn)學(xué)研用’一體化的防沙治沙新機(jī)制，形成了風(fēng)沙防治產(chǎn)業(yè)化技術(shù)體系和‘庫(kù)布其模式’。”王濤說(shuō)。
青藏鐵路綜合風(fēng)沙防治體系建成后，消除了因風(fēng)沙危害造成的停車事故，保證了線路的安全運(yùn)營(yíng)；敦煌莫高窟風(fēng)沙危害綜合防護(hù)體系建成后，窟前積沙減少了80%以上，風(fēng)沙災(zāi)害得到有效治理，保護(hù)了莫高窟世界文化遺產(chǎn)；鳴沙山月牙泉的風(fēng)沙流場(chǎng)恢復(fù)與沙害防治措施，使月牙泉免遭沙埋，促成該景區(qū)成功申報(bào)為國(guó)家5A級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)和世界地質(zhì)公園。項(xiàng)目完成單位在風(fēng)沙災(zāi)害防治實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)農(nóng)牧民就業(yè)扶貧，帶動(dòng)庫(kù)布其沙漠、科爾沁沙地、騰格里沙漠周邊民眾脫貧超過(guò)5萬(wàn)人。迄今為止，該項(xiàng)目通過(guò)示范推廣新技術(shù)和新模式100多萬(wàn)公頃，已取得直接經(jīng)濟(jì)效益超過(guò)300億元。
腦部起搏器 讓帕金森病患者“重啟”健康人生
心臟起搏器，相信大家都聽說(shuō)過(guò)，但對(duì)于腦起搏器，恐怕就比較陌生了。腦起搏器有什么作用，難道大腦也需要“起搏”？
“腦起搏器也稱為腦深部刺激器，它是一種直接作用于神經(jīng)中樞的裝置，主要用來(lái)治療帕金森病等神經(jīng)系統(tǒng)疾病。”清華大學(xué)航天航空學(xué)院航空宇航工程系教授、神經(jīng)調(diào)控技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室主任李路明說(shuō)。
帕金森病等神經(jīng)系統(tǒng)疾病嚴(yán)重危害患者健康，也給患者家庭、社會(huì)帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)。據(jù)估計(jì)，到2030年，我國(guó)的帕金森病患者人數(shù)將占到全球患者總數(shù)的一半。通過(guò)植入電極直接刺激大腦，腦起搏器可以顯著改善患者的生活質(zhì)量，是高端醫(yī)療器械的典型代表。
腦起搏器技術(shù)難度大，一直被美國(guó)獨(dú)家壟斷。由李路明領(lǐng)銜的“腦起搏器關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)與臨床應(yīng)用”項(xiàng)目歷經(jīng)17年，通過(guò)醫(yī)工融合自主突破核心技術(shù)，打破壟斷，并通過(guò)原創(chuàng)的理論、方法和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全球引領(lǐng)；原創(chuàng)變頻刺激療法和變頻腦起搏器，解決了帕金森病晚期步態(tài)障礙治療的世界難題；實(shí)現(xiàn)體外無(wú)線充電的“零灼傷”，全球首次實(shí)現(xiàn)腦起搏器10年以上的質(zhì)保壽命；創(chuàng)新電極技術(shù)和手術(shù)方法，解決了頭頸運(yùn)動(dòng)引起電極斷裂的臨床難題；首創(chuàng)安全可靠的遠(yuǎn)程程控技術(shù)，解決了異地患者術(shù)后返診難題。
“尤為值得一提的是，產(chǎn)品療效顯著，平均為每名患者節(jié)省10萬(wàn)元。2017年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占比達(dá)60%，而且出口英國(guó)等4個(gè)國(guó)家。”李路明說(shuō)。正因如此，該項(xiàng)目獲得2018年度國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
肺癌微創(chuàng)治療 部分手術(shù)可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)出入院
肺癌是癌癥中的頭號(hào)殺手，我國(guó)肺癌年死亡病例61萬(wàn)，近30年發(fā)病率上升465%。“外科切除是根治早中期肺癌的關(guān)鍵,但手術(shù)技術(shù)亟須提高,手術(shù)規(guī)范、圍術(shù)期治療等方面亟待完善。”廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院院長(zhǎng)何建行說(shuō)。
如何因人制宜制定手術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)切除？這是何建行經(jīng)常思考的問(wèn)題。由其牽頭的“肺癌微創(chuàng)治療體系及關(guān)鍵技術(shù)的研究與推廣”項(xiàng)目獲2018年度國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。為實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)治療，課題組首先通過(guò)建立4種高選擇自主呼吸麻醉模式減少了肌松藥物及機(jī)械通氣的副作用，然后通過(guò)建立7種微創(chuàng)手術(shù)切口、6種精準(zhǔn)微創(chuàng)切除—重建手術(shù)模式，實(shí)現(xiàn)了因瘤、因人制宜的精準(zhǔn)手術(shù)體系，通過(guò)上述手術(shù)技術(shù)的研發(fā)，使微創(chuàng)手術(shù)適用范圍提高到95％以上，同時(shí)提高遠(yuǎn)期生存率6%，并發(fā)癥率減少60%，并革命性地將部分極早期肺癌的手術(shù)進(jìn)化為24小時(shí)出入院的日間手術(shù)。
“與此同時(shí)，項(xiàng)目還首次在國(guó)際上規(guī)范并細(xì)化了早期肺癌3種切除方式的選擇標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)明確了早期肺癌手術(shù)的淋巴結(jié)清掃數(shù)目，為手術(shù)質(zhì)控提供了關(guān)鍵量化標(biāo)準(zhǔn)，用以指導(dǎo)我國(guó)早期肺癌微創(chuàng)手術(shù)的臨床路徑與精準(zhǔn)切除。從而顯著提高了我國(guó)早中期肺癌的療效。”何建行說(shuō)。
耳聾診斷芯片 避免人間無(wú)聲悲劇上演
有數(shù)據(jù)顯示，聽力障礙已成我國(guó)第二大出生缺陷疾病。我國(guó)現(xiàn)有聽力殘疾人2054萬(wàn)，其中0—6歲兒童超過(guò)80萬(wàn)人，且每年新增3萬(wàn)聾兒。在治療方面，除昂貴的人工耳蝸植入外，重度耳聾尚無(wú)法治療。
“因此，早期診聾防聾至關(guān)重要。研究表明，約有60%重度耳聾是因?yàn)檫z傳因素導(dǎo)致。正常人中約5%的耳聾基因攜帶率，是造成成人后天耳聾和生育下一代聾兒的主要原因。然而，傳統(tǒng)的耳聾篩查和診斷技術(shù)操作繁瑣、通量低，且難以發(fā)現(xiàn)遲發(fā)性耳聾和藥物致聾敏感人群。”中國(guó)工程院院士、清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授程京說(shuō)。所以，迫切需要一款高精度、高靈敏度、高通量、低成本的新型基因突變檢測(cè)技術(shù)及配套設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化預(yù)防耳聾。
由清華大學(xué)、中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院和博奧生物集團(tuán)有限公司聯(lián)合研發(fā)的“遺傳性耳聾基因診斷芯片系統(tǒng)的研制及其應(yīng)用”項(xiàng)目，發(fā)明了多重等位基因特異性擴(kuò)增及通用芯片技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上研制出全球首款耳聾基因診斷芯片，可同時(shí)檢測(cè)4個(gè)最常見致聾基因上的9個(gè)突變熱點(diǎn)，使我國(guó)成為國(guó)際上規(guī)模最大的對(duì)遺傳病進(jìn)行分子篩查的國(guó)家。
該項(xiàng)目目前已推廣到全國(guó)包括臺(tái)灣在內(nèi)的30余個(gè)省市及越南等地，并已在20個(gè)省市納入政府民生工程。截至2018年底，全國(guó)接受遺傳性耳聾基因篩查的新生兒數(shù)量超過(guò)300萬(wàn)，檢出總突變率為4.4%，其中藥物致聾基因攜帶者就有8000多人，直接避免了受檢者和家庭成員約8萬(wàn)多人因使用藥物不當(dāng)而致聾。該項(xiàng)目榮獲2018年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。（記者 馬愛平 付麗麗）