工博会观察 | 将“卡脖子”清单变成科研清单

9月15日至19日，第22届中国国际工业博览会（下称“第22届工博会”）在上海举行。

在本届工博会上，中国科学院（下称“中科院“）成为获得奖项最多的单位。在参展的78项创新成果中，获奖展品就有四件。

其中，“北斗三号中科院导航卫星”获工博会“特别大奖”，“海斗一号全海深自主遥控潜水器”、“人体肺部气体磁共振成像系统”两个成果获工博会“大奖”。

此外，“量子钻石原子力显微镜”获“创新引领奖”。

上天、入海、服务民生，几件获奖展品均已覆盖。

北斗三号，因“自主”而“特别”

自本届工博会首日十项大奖公布之后，中科院展区成了观众最多的展区之一，因为本届工博会最特殊的奖项“特别大奖”颁发给了一颗名叫“北斗”的卫星，这颗“北斗三号中科院导航卫星”正是中国科学院微小卫星创新研究院的创新成果。

“北斗三号”模型

突破基于相控阵的Ka星间链路技术，实现“一星通、星星通”，解决了制约北斗全球组网的瓶颈问题；突破高精度时频无缝切换技术，解决系统运行连续性难题，为实现全球系统信号的高连续性奠定基础；突破卫星自主诊断恢复技术，实现在没有地面支持的情况下卫星进行自主健康诊断、故障隔离和恢复功能；这些是“北斗三号”在技术上最重要的三项突破。

而工博会获奖展品中高手云集，能摘得“特别大奖”的“北斗三号”有何“特别”之处？

“我们常说做科研要对标国际水平，北斗三号卫星首先体现了我国科技领域创新驱动，真正从‘跟跑’到‘比肩超越’的跨越式发展，在北斗三号卫星上实现了关键核心技术完全自主可控，核心器部件100%国产化，这是了不起的成绩。”中科院北斗卫星系统副总指挥陈志峰向《国际金融报》记者表示。

“至于为何将‘特别大奖’颁给北斗，我想评委有几点考虑：第一，‘北斗三号’作为大国重器，提供全球导航服务，让我们在国家安全的领域不再‘受制于人’，具有重大的战略意义；第二，‘北斗三号’建成开通，提供稳定的定位、测速、授时和特有的短报文服务，对我国军事应用和国民经济建设两方面都起到重要的作用；第三，‘北斗三号’建成，能够带动一大批导航相关产业和应用的迅速发展，在‘后疫情时代’、5G建设、新基建方面都能发挥积极作用。”陈志峰说。

记者还了解到一个关于“北斗”的故事。曾经的“北斗二号”中，部分高精度原子钟是从欧洲进口的，但是计划进度和交付性能指标都存在风险和不确定性。由于高精度原子钟是导航卫星的心脏，核心技术不能受制于人，必须自主可控，中科院上海天文台突破了多项关键技术，目前在“北斗三号”上使用的高精度原子钟已经达到六百万年差一秒的精度，具备世界一流的水准。

在抗击新冠疫情初期，武汉急需建设火神山、雷神山医院，在选址过程中，北斗卫星导航系统在测绘测量方面发挥了重要作用，以最快速度提供了精准的数据。这两所医院建设“神速”，其中有北斗卫星一份功劳。

此外，“北斗三号”拥有更强的适应能力和可扩展能力，通过独创的“功能链”设计理念达到大幅降低成本的效果，并首次在导航卫星上采用大功率氮化镓固态放大器，有效提高了信号质量。

科研无止尽，没有最好，只有更好，这才是科学家们的追求。

目前的导航定位服务还不能说是“尽善尽美”。举例来说，在建筑物遮挡比较密集的室内，还存在收不到导航信号的情况，就不能准确地使用电子地图App来导航定位。

陈志峰表示，“未来进一步提高北斗卫星在各种复杂特殊环境下定位的准确性，向室内，水下和深层空间扩展，面向‘北斗+’的时代，建设更先进和更智能的综合PNT体系，这是我们需要继续努力的方向。”

海斗一号，创造“最深”纪录

除了“北斗”卫星，中科院展区第二“吸睛”的展品就属“海斗一号”潜水器。

这款“海斗一号全海深自主遥控潜水器”由中国科学院沈阳自动化研究所研发，颜色鲜艳，外形呈一条“胖鱼”形态，萌感十足。

其刷新了我国潜水器“最深”下潜纪录，最大下潜作业深度为10907米。

中科院沈阳自动化所工程师王福利告诉《国际金融报》记者，“海斗一号”4次抵达深度超过万米的全球最深海区深渊底部，完成高清视频拍摄和机械手作业。目前，所研发潜水器下潜作业深度能达到一万米的国家屈指可数，海斗一号更是填补了当前国际上作业型无人潜水器的空白。

同时，“海斗一号”是国际上首台具备自主遥控功能的探测作业一体化、万米无人潜水器，具有完全自主知识产权。

海斗一号首次实现我国潜水器万米下潜作业，是我国海洋技术领域的一个里程碑，标志着我国无人潜水器技术跨入了一个可覆盖全海深探测与作业的新时代。”王福利介绍道。

“海斗一号”的“嘴”部安装有机械臂，可进行水下无人作业

目前，我国在科学考察方面围绕“上天”“下海”这两大方向，在“万米深渊”领域，由于之前受制于深潜技术装备的限制，人类对万米深渊的认知甚至远不如月球。

当“海斗一号”出现后，情况变了，“海斗一号”具备全球所有海洋深度的覆盖能力，凭借自身下潜深度优势就可以探索这未知的极限深度海底，为我国生物、地质等研究领域提供一定高技术装备。

王福利对这款潜水器很有信心，他告诉记者，“我们的‘海斗一号’在马里亚纳海沟最深海区连续实现4次万米下潜并作业，体现出很好的连续作业能力，这种高强度、密集型的万米深潜作业，对技术成熟度要求是很高的。”

“但目前也遇到了一些挑战，比如在夜间或者海况不好的情况下，我们的设备效率会受到一定的影响。今后我们将在提高潜水器的稳定性和可靠性方面继续开拓。”王福利表示。

肺部气体磁共振成像，信号增强数万倍

“人体肺部气体磁共振成像系统”同样参与了抗疫工作，新冠疫情暴发初期，该系统在武汉同济医院、武汉市金银潭医院等临床一线进行了应用，对新冠肺炎患者开展了系列肺功能影像学评估。

该系统外形虽然不抢眼，却弥补了传统磁共振成像的肺部“盲区”。

“人体肺部气体磁共振成像系统”，图中仪器负责将氙气超极化

“人体肺部气体磁共振成像系统”，图中的小马甲供患者做检查时穿着

中国科学院精密测量科学与技术创新研究院研究员蒋滨向《国际金融报》记者解释，“因为人体内含量最多的是水，过去我们一般采用水分子中的氢原子核来做成像，这样做能得到最强的信号。但人体的肺部比较特殊，是个‘空腔’，含水量不够，导致肺部做磁共振成像显示的是一片黑。”

“我们利用新技术，将氙气超极化使得磁共振信号增强几万倍，再让人吸入肺部，即可以获得肺部磁共振影像。”蒋滨表示。

“气体信号比液体信号低很多，因为气体密度一般只相当于液体千分之一，但是超极化的技术在此处发挥重大作用，弥补了密度不足。”蒋滨强调。

同时，“人体肺部气体磁共振成像系统”可以对肺部通气、微结构和气血交换功能进行定量、可视化精确评估。这一点很重要，蒋滨举例说，“假如有一名感染肺炎的患者，给他肺部CT拍片时看到影像已经恢复正常，就是炎症消失了，但这其实只能证明他的肺部结构恢复正常，并不能说明肺部其他指标没有问题，所以他走路可能还在喘气，这时候就需要更多指标的精确评估。”

此外，蒋滨继续解释，“氙气是一种惰性气体，不至于在进入体内后和和其他物质发生反应，也能确保人体健康安全。”

该系统实现知识产权转化落地，已通过上海医疗器械检测所注册检测，国家药监局“创新医疗器械特别审查程序”审评。

让你看见“磁场”的显微镜

“它不仅像传统的原子力显微镜一样可以进行材料表面的三维形貌成像，通过结合光探测磁共振技术，利用量子精密测量原理，用钻石中的氮空位缺陷做为探针，还可以做样品表面磁场的成像，所以这台仪器可以为磁性材料研究提供帮助。”国仪量子（合肥）技术有限公司应用工程师代映秋正在向大家介绍这台获得“创新引领奖”的“量子钻石原子力显微镜”。

该显微镜是一台基于NV色心和AFM扫描成像技术的量子精密测量仪器，是我国第一台可以测量材料磁场的显微镜，也是研究材料磁学性质的新利器。

“量子钻石原子力显微镜”通过对钻石中氮-空位（NV）中心发光缺陷的自旋进行量子操控与读出，可实现磁学性质的定量无损成像，具有纳米级的高空间分辨率以及单个自旋的超高探测灵敏度，在磁畴成像、二维材料、拓扑磁结构、超导磁学、细胞成像等领域有广泛应用。

代映秋告诉《国际金融报》记者，“这台仪器是第一次用量子技术和原子力显微镜结合，将原来只能测材料表面形貌的显微镜增加了一个测量磁结构的表面磁场成像功能。”

记者在现场看到，这台显微镜比我们印象中的显微镜的体积大很多，但是它测量的材料其实非常小，小到肉眼无法看见；更让人惊叹的是，该仪器能测量磁结构的表面磁场。

“量子钻石原子力显微镜”

此外，记者发现本届工博会获奖展品中有不少是在“卡脖子”技术方面有所突破，这也正体现出我国科研在掌握核心技术自主知识产权方面的决心。正如中科院院长白春礼所言，把“卡脖子”清单变成科研清单。

记者 吴斯洁

编辑 程慧

责任编辑 白岩冰