"專精特新"觀察："黑科技"是怎樣煉成的？

航空發(fā)動機(jī)葉片這顆“皇冠上的明珠”如何摘得？“超級細(xì)胞工廠”如何孕育出構(gòu)建萬物的材料？“既柔又剛”的搖臂如何在手術(shù)臺上大顯身手？

　　近年來，越來越多掌握“黑科技”的“專精特新”企業(yè)成為中國制造的重要支撐。數(shù)據(jù)顯示，我國已累計培育專精特新“小巨人”企業(yè)1.2萬余家、專精特新中小企業(yè)超9.8萬家。近期，記者走進(jìn)北京幾家掌握“黑科技”的專精特新企業(yè)，一窺他們的科技創(chuàng)新能力和廣闊發(fā)展?jié)摿Α?/p>

　　天空上的葉片

　　航空發(fā)動機(jī)制造技術(shù)被稱為“制造業(yè)的皇冠”，而單晶渦輪葉片制造技術(shù)則是“皇冠上的明珠”。長期以來，能制造新型航空發(fā)動機(jī)的只有美、英、法、俄等少數(shù)國家。

　　欲戴“皇冠”，必承其重：托起重達(dá)百噸的大飛機(jī)遨游天空，航空發(fā)動機(jī)要提供巨大推力，其動力之源的渦輪葉片每秒轉(zhuǎn)速300多轉(zhuǎn)，承受的離心力相當(dāng)于葉片本身質(zhì)量的1萬倍，相當(dāng)于一個渦輪葉片掛著5輛小轎車。

　　這樣的高速轉(zhuǎn)動，渦輪葉片工作溫度達(dá)1700多攝氏度，鋼鐵都可輕松熔化。渦輪葉片卻需要在這樣復(fù)雜的交變載荷、極端的工作條件下，長時間穩(wěn)定、可靠、安全地工作。

　　長期以來，這類巧奪天工的技藝，其大批量、高質(zhì)量、高效率、高合格率、高一致性地加工制造是世界性難題。

　　如今，我國企業(yè)靠著自己研制的國際領(lǐng)先的電加工設(shè)備和數(shù)字孿生技術(shù)，得以成批量生產(chǎn)。記者在北京漢飛航空科技有限公司單晶渦輪葉片生產(chǎn)線上看到，一百多臺多軸電火花高速穿孔機(jī)床正緊鑼密鼓地自動加工，透過防護(hù)窗看到，由機(jī)床自動控制的電火花在葉片表面舞動，機(jī)器人穿梭在機(jī)床、垛料區(qū)和檢驗區(qū)之間。在控制室，工廠自研的數(shù)字孿生技術(shù)將實時數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，氣膜孔自適應(yīng)加工指令由此下達(dá)。

　　“這是一個單晶渦輪葉片，是新型航空發(fā)動機(jī)和燃汽輪機(jī)的關(guān)鍵核心部件，是‘動力之源’，而我們漢飛公司的工作就像給飛機(jī)發(fā)動機(jī)裝空調(diào)，給單晶渦輪葉片造‘毛細(xì)血管’，給渦輪葉片起到冷卻降溫作用?！北本h飛航空科技有限公司負(fù)責(zé)人指著一個手掌大小的金屬部件介紹。

　　一片單晶渦輪導(dǎo)向葉片上擁有幾百乃至上千個軸線方向、出入口角度不一，位置非均勻分布、形狀不一的氣膜孔，而且葉片內(nèi)部還有復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)，加工氣膜孔時不能碰傷到內(nèi)腔內(nèi)壁，如果打孔時有一絲偏差，渦輪葉片在高溫高速工況下就會燒毀，飛機(jī)就可能掉下來。

　　“一臺飛機(jī)發(fā)動機(jī)的渦輪葉片需加工多達(dá)幾萬個氣膜孔，猶如‘螺螄殼里做道場’，必須確保每個氣膜孔都嚴(yán)格按設(shè)計加工?！睗h飛公司負(fù)責(zé)人說。

　　“成百上千個小孔噴出冷卻氣體，形成氣膜，把葉片包裹起來，才能將燃燒室高溫氣體與葉片表面隔開。因此，氣膜孔加工質(zhì)量是影響單晶渦輪葉片合格率、冷卻效率和工作壽命的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。”漢飛公司負(fù)責(zé)人說。

　　公司負(fù)責(zé)人介紹，他們通過單晶渦輪葉片氣膜孔數(shù)字化加工技術(shù)和自主研發(fā)的裝備，開拓了在新型航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等多個尖端領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅解決了我國航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)核心部件渦輪葉片大批量產(chǎn)的瓶頸，更打破了國際先進(jìn)裝備制造的技術(shù)壁壘，這也標(biāo)志著我國一舉摘下這顆“皇冠上的明珠”。

　　“從底層基本算法、工業(yè)軟件、數(shù)控系統(tǒng)、三維測量和建模系統(tǒng)，到多軸數(shù)控電加工機(jī)床和智能生產(chǎn)線，都是我們自己研制的，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)?！惫矩?fù)責(zé)人說，科研人員經(jīng)過數(shù)十年探索和鉆研，使得單晶渦輪葉片加工合格率達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

　　中國商飛預(yù)測，2021年至2040年中國航空市場需要新添50座級以上客機(jī)9084架，價值約1.4萬億美元。

　　“國產(chǎn)大飛機(jī)運(yùn)營為我國航空制造業(yè)帶來了巨大機(jī)遇，我們要緊抓機(jī)遇，讓搭載自主發(fā)動機(jī)的國產(chǎn)大飛機(jī)翱翔云天?！睗h飛公司負(fù)責(zé)人說。

　　細(xì)胞里的工廠

　　一個細(xì)胞能干什么？

　　在北京市順義區(qū)中德產(chǎn)業(yè)園的一間實驗室里，科研人員把乳白色的物質(zhì)加入裝有淀粉的大型發(fā)酵罐中。40多個小時后，發(fā)酵罐里“長”出了大量粉狀的可用于生產(chǎn)塑料薄膜的PHA（聚羥基脂肪酸酯）材料。

　　3D打印玩偶、感光衣……PHA制作而成的制品能廣泛應(yīng)用于生物材料、紡織、農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥等領(lǐng)域。因為PHA在海水和土壤中都可快速自然降解，目前這一產(chǎn)品已經(jīng)出口到美國、歐盟等地。

　　“這些乳白色的物質(zhì)是細(xì)菌菌體形成的菌落，每一個菌體都是一個‘超級細(xì)胞工廠’?！鼻迦A大學(xué)合成與系統(tǒng)生物學(xué)中心主任陳國強(qiáng)教授告訴記者。

　　2003年，陳國強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊在中國新疆的艾丁湖發(fā)現(xiàn)了這種“神奇微生物”：它能在幾乎無水、200克/升鹽濃度、溫差近100度的極端環(huán)境下生存。任何其他微生物在它生長的環(huán)境下都幾乎無法存活，因此它具有天然的“免疫力”，可在開放、無滅菌的環(huán)境下被直接培養(yǎng)。

　　這種超級細(xì)胞，就成為細(xì)胞工廠的絕佳“生物底座”。

　　人們生活中大量的塑料、服飾、醫(yī)療等產(chǎn)品，大都由傳統(tǒng)化工產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)，不僅高耗能、耗水，而且不易降解，對自然不友好。用生物技術(shù)來合成人類生活所需的工業(yè)產(chǎn)品，成為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。

　　專家介紹，合成生物學(xué)是生物學(xué)、工程學(xué)、化學(xué)和信息技術(shù)等相互交叉融合的新興領(lǐng)域，科學(xué)家借助基因編輯技術(shù)改造生物體，使生物體成為高效細(xì)胞微工廠，對物質(zhì)進(jìn)行定向、高效、大規(guī)模的加工轉(zhuǎn)化。因此，合成生物學(xué)被多國列入戰(zhàn)略型新興技術(shù)，被科學(xué)界稱為“第三次生物技術(shù)革命”。

　　如果用普通的微生物來制造高分子材料，就必須用嚴(yán)格無菌的環(huán)境。經(jīng)過20年研究，來自中國艾丁湖的微生物經(jīng)過20多次迭代和基因改造，終于從實驗室走到生產(chǎn)線，構(gòu)建出可實現(xiàn)開放、無滅菌、連續(xù)培養(yǎng)的超級細(xì)胞工廠平臺。

　　2022年，項目在北京順義中德產(chǎn)業(yè)園順利投產(chǎn)，“小細(xì)菌”來到新天地，得以產(chǎn)業(yè)化落地。

　　“和傳統(tǒng)的化工生產(chǎn)線相比，我們的生產(chǎn)線顯得過于簡潔，這恰恰是優(yōu)勢?！蔽?gòu)工廠董事長徐絢明指著背后的生產(chǎn)線向記者介紹，因為不用傳統(tǒng)化工產(chǎn)業(yè)的嚴(yán)格無菌、高壓環(huán)境，對水和能源的消耗也降低50%以上。

　　徐絢明介紹，除PHA外，項目目前還能生產(chǎn)醫(yī)藥原料四氫嘧啶、化合物3-羥基丙酸、賴氨酸、淀粉酶等。微生物從實驗室中走出來，成長為構(gòu)建萬物的材料，應(yīng)用到人類生活，最終又無毒無害回歸自然。

　　PHA的應(yīng)用還不止于此。目前，科學(xué)家已經(jīng)將PHA的一種產(chǎn)物——3-羥基丁酸（3HB）送上了太空，研究開發(fā)更有效的治療骨質(zhì)疏松的藥物。

　　“我們將在太空微重力環(huán)境中研究3HB的成骨作用，為研制新的預(yù)防骨質(zhì)疏松藥物，提供可能。”陳國強(qiáng)教授介紹

　　在肉眼不可見的顯微世界，合成生物學(xué)正在改變?nèi)祟愂澜绲奈磥?。波士頓咨詢公司預(yù)測，到本世紀(jì)末，合成生物學(xué)手段將廣泛應(yīng)用在占全球產(chǎn)出1/3以上的制造業(yè)。

　　中國科學(xué)界和企業(yè)也在行動。今年，由清華、北大等8所國內(nèi)高校、研究院所的16個研究團(tuán)隊與16家合成生物產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)聯(lián)合發(fā)起的“合成生物技術(shù)與智能生物制造創(chuàng)新聯(lián)盟”在北京成立，將在這場科技革命中踏浪弄潮。

　　手術(shù)臺上的搖臂

　　患者手術(shù)路徑被輸入“大腦”后，機(jī)器人通過一個小切口將器械置入患者體內(nèi)，精準(zhǔn)避開患者的血管、神經(jīng)，運(yùn)動到指定位置后打孔。一臺醫(yī)療機(jī)器人就這樣輔助醫(yī)生完成骨科手術(shù)，誤差可達(dá)微米級，精準(zhǔn)和微創(chuàng)大大降低了患者的痛苦。

　　過去的機(jī)器人很“剛”，能搬能抬，能抓能握；現(xiàn)在的機(jī)器人更“柔”，剝蛋殼、打針、縫合傷口等精細(xì)活兒都不在話下。這些靈巧聰明的機(jī)器人是怎樣生產(chǎn)出來的？記者在北京順義區(qū)的一家機(jī)器人工廠找到了答案。

　　醫(yī)療專用機(jī)械臂是手術(shù)機(jī)器人的核心零部件，直接決定手術(shù)機(jī)器人的操控精度和穩(wěn)定性。完成一個靈敏的機(jī)械臂并非易事。巴掌大小的關(guān)鍵零部件精密排布著編碼器、減速機(jī)和電路，這是機(jī)械臂成形的最小組件。不同規(guī)格的關(guān)節(jié)組成了機(jī)械臂的肩膀、手肘和手腕，再通過數(shù)據(jù)線和電路連接在一起，做成手臂的造型。

　　醫(yī)療機(jī)器人完成高精度作業(yè)的奧秘之一，就在于“手臂”定位準(zhǔn)確、操控穩(wěn)定、運(yùn)動靈巧。

　　“各關(guān)節(jié)由獨(dú)立的一體化關(guān)節(jié)單獨(dú)驅(qū)動，配合高度靈敏的力矩傳感器和機(jī)器視覺，在自研驅(qū)動算法控制下，機(jī)器人操作系統(tǒng)與外部設(shè)備協(xié)同，最終實現(xiàn)‘手腦眼’協(xié)同?！北本┧检`機(jī)器人科技有限責(zé)任公司副總經(jīng)理陳尉介紹，當(dāng)前其自研的力矩傳感器靈敏程度，相當(dāng)于“感知一只蚊子落在手臂上的力道”。

　　擁有靈活敏捷的“手臂”和“身體”還不夠，一臺足夠智能的機(jī)器人必須具備聰慧的“大腦”。

　　基于10多年的技術(shù)沉淀，思靈機(jī)器人集機(jī)器人操作系統(tǒng)、多模態(tài)感知、運(yùn)動控制等核心技術(shù)于一身，已有100多項專利傍身，基本實現(xiàn)核心技術(shù)自研。

　　基于此，思靈機(jī)器人已參與了多項骨科手術(shù)、神經(jīng)外科手術(shù)、腔鏡手術(shù)，并將基礎(chǔ)研究延伸至腦機(jī)接口應(yīng)用領(lǐng)域。

　　“以前做完脊柱手術(shù)患者要10多天才能下床，現(xiàn)在經(jīng)過微創(chuàng)手術(shù)一天就能下床，術(shù)后只留下幾個口徑數(shù)毫米的小孔，減少了術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生?！标愇颈硎?#xff0c;思靈已與多家醫(yī)院、高校合作完成多項動物實驗及臨床手術(shù)。

　　目前，越來越智能的機(jī)器人廣泛應(yīng)用到骨科、神經(jīng)外科、康復(fù)科等，膠囊內(nèi)鏡機(jī)器人、采血機(jī)器人、護(hù)理機(jī)器人等成為醫(yī)生的“得力助手”。

　　前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的報告顯示，2017年至2021年，我國醫(yī)療機(jī)器人的市場規(guī)模增速均在20%以上。初步測算，2022年我國醫(yī)療機(jī)器人市場規(guī)模近百億元。

　　這些機(jī)器人還為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、教育及服務(wù)等生產(chǎn)生活提供服務(wù)。在思靈機(jī)器人服務(wù)的一個現(xiàn)代化智能制造工廠，一臺臺智能機(jī)器人在生產(chǎn)線上完成產(chǎn)品的組裝、檢測，這些產(chǎn)品以每小時數(shù)百臺的速度下線，且滿足產(chǎn)品良品率達(dá)到至少99.5%的要求，生產(chǎn)線基本實現(xiàn)無人化。

　　創(chuàng)新技術(shù)不斷迭代，數(shù)字化應(yīng)用場景需求更多元，政策環(huán)境驅(qū)動為我國醫(yī)療機(jī)器人快速發(fā)展提供了廣闊空間。2020年以來，廣東、河北、上海、浙江等多地出臺政策支持外骨骼機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；北京、上海等地將手術(shù)機(jī)器人納入醫(yī)保范疇；北京成立了第一家由政府主導(dǎo)的醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新平臺——北京醫(yī)療機(jī)器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心……

　　專家表示，未來隨著醫(yī)療機(jī)器人與人工智能、腦際交互、5G、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)深入融合，國產(chǎn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將更加智能。

　　數(shù)據(jù)顯示，我國已經(jīng)培育了7萬多家專精特新中小企業(yè)，其中專精特新“小巨人”企業(yè)8997家。去年新上市企業(yè)中，專精特新中小企業(yè)占了59%，累計已經(jīng)有1300多家專精特新中小企業(yè)在A股上市，占A股上市企業(yè)總數(shù)的27%。

　　專精特新“小巨人”企業(yè)所處的領(lǐng)域千差萬別，但靈魂都是創(chuàng)新。近三年，北京新設(shè)中小企業(yè)中，“科技型”占半數(shù)，超四成企業(yè)的核心技術(shù)產(chǎn)品填補(bǔ)國際國內(nèi)空白。工信部數(shù)據(jù)顯示，“小巨人”企業(yè)累計獲得授權(quán)發(fā)明專利數(shù)14萬余項。隨著我國繼續(xù)推進(jìn)專精特新中小企業(yè)培育工作，一批批創(chuàng)新能力強(qiáng)的“小巨人”必將不斷成長為真正的巨人。

□記者 烏夢達(dá) 陳旭 陽娜 實習(xí)生 金梓純 北京報道