航空發(fā)動機葉片這顆“皇冠上的明珠”如何摘得？“超級細胞工廠”如何孕育出構建萬物的材料？“既柔又剛”的搖臂如何在手術臺上大顯身手？
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)動機制造技術被稱為“制造業(yè)的皇冠”，而單晶渦輪葉片制造技術則是“皇冠上的明珠”。長期以來，能制造新型航空發(fā)動機的只有美、英、法、俄等少數(shù)國家。
欲戴“皇冠”，必承其重：托起重達百噸的大飛機遨游天空，航空發(fā)動機要提供巨大推力，其動力之源的渦輪葉片每秒轉速300多轉，承受的離心力相當于葉片本身質量的1萬倍，相當于一個渦輪葉片掛著5輛小轎車。
這樣的高速轉動，渦輪葉片工作溫度達1700多攝氏度，鋼鐵都可輕松熔化。渦輪葉片卻需要在這樣復雜的交變載荷、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先的電加工設備和數(shù)字孿生技術，得以成批量生產。記者在北京漢飛航空科技有限公司單晶渦輪葉片生產線上看到，一百多臺多軸電火花高速穿孔機床正緊鑼密鼓地自動加工，透過防護窗看到，由機床自動控制的電火花在葉片表面舞動，機器人穿梭在機床、垛料區(qū)和檢驗區(qū)之間。在控制室，工廠自研的數(shù)字孿生技術將實時數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，氣膜孔自適應加工指令由此下達。
北京漢飛航空科技有限公司單晶渦輪葉片生產線。受訪者供圖
“這是一個單晶渦輪葉片，是新型航空發(fā)動機和燃汽輪機的關鍵核心部件，是‘動力之源’，而我們漢飛公司的工作就像給飛機發(fā)動機裝空調，給單晶渦輪葉片造‘毛細血管’，給渦輪葉片起到冷卻降溫作用。”北京漢飛航空科技有限公司負責人指著一個手掌大小的金屬部件介紹。
一片單晶渦輪導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，而且葉片內部還有復雜的冷卻系統(tǒng)，加工氣膜孔時不能碰傷到內腔內壁，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，飛機就可能掉下來。
“一臺飛機發(fā)動機的渦輪葉片需加工多達幾萬個氣膜孔，猶如‘螺螄殼里做道場’，必須確保每個氣膜孔都嚴格按設計加工?！睗h飛公司負責人說。
“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，氣膜孔加工質量是影響單晶渦輪葉片合格率、冷卻效率和工作壽命的關鍵環(huán)節(jié)。”漢飛公司負責人說。
公司負責人介紹，他們通過單晶渦輪葉片氣膜孔數(shù)字化加工技術和自主研發(fā)的裝備，開拓了在新型航空發(fā)動機和燃氣輪機等多個尖端領域的應用，不僅解決了我國航空發(fā)動機和燃氣輪機核心部件渦輪葉片大批量產的瓶頸，更打破了國際先進裝備制造的技術壁壘，這也標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)控電加工機床和智能生產線，都是我們自己研制的，擁有自主知識產權?！惫矩撠熑苏f，科研人員經過數(shù)十年探索和鉆研，使得單晶渦輪葉片加工合格率達到國際領先水平。
中國商飛預測，2021年至2040年中國航空市場需要新添50座級以上客機9084架，價值約1.4萬億美元。
“國產大飛機運營為我國航空制造業(yè)帶來了巨大機遇，我們要緊抓機遇，讓搭載自主發(fā)動機的國產大飛機翱翔云天?！睗h飛公司負責人說。
細胞里的工廠
一個細胞能干什么？
在北京市順義區(qū)中德產業(yè)園的一間實驗室里，科研人員把乳白色的物質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用于生物材料、紡織、農業(yè)和醫(yī)藥等領域。因為PHA在海水和土壤中都可快速自然降解，目前這一產品已經出口到美國、歐盟等地。
“這些乳白色的物質是細菌菌體形成的菌落，每一個菌體都是一個‘超級細胞工廠’?！鼻迦A大學合成與系統(tǒng)生物學中心主任陳國強教授告訴記者。
2003年，陳國強領導的科研團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)。
這種超級細胞，就成為細胞工廠的絕佳“生物底座”。
人們生活中大量的塑料、服飾、醫(yī)療等產品，大都由傳統(tǒng)化工產業(yè)生產，不僅高耗能、耗水，而且不易降解，對自然不友好。用生物技術來合成人類生活所需的工業(yè)產品，成為未來產業(yè)發(fā)展的重要方向。
專家介紹，合成生物學是生物學、工程學、化學和信息技術等相互交叉融合的新興領域，科學家借助基因編輯技術改造生物體，使生物體成為高效細胞微工廠，對物質進行定向、高效、大規(guī)模的加工轉化。因此，合成生物學被多國列入戰(zhàn)略型新興技術，被科學界稱為“第三次生物技術革命”。
如果用普通的微生物來制造高分子材料，就必須用嚴格無菌的環(huán)境。經過20年研究，來自中國艾丁湖的微生物經過20多次迭代和基因改造，終于從實驗室走到生產線，構建出可實現(xiàn)開放、無滅菌、連續(xù)培養(yǎng)的超級細胞工廠平臺。
在北京微構工場生物技術有限公司中試車間，工作人員查看配料罐的工作情況。新華社記者 任超 攝
2022年，項目在北京順義中德產業(yè)園順利投產，“小細菌”來到新天地，得以產業(yè)化落地。
“和傳統(tǒng)的化工生產線相比，我們的生產線顯得過于簡潔，這恰恰是優(yōu)勢?！蔽嫻龆麻L徐絢明指著背后的生產線向記者介紹，因為不用傳統(tǒng)化工產業(yè)的嚴格無菌、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，成長為構建萬物的材料，應用到人類生活，最終又無毒無害回歸自然。
PHA的應用還不止于此。目前，科學家已經將PHA的一種產物——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，為研制新的預防骨質疏松藥物，提供可能?！标悋鴱娊淌诮榻B
在肉眼不可見的顯微世界，合成生物學正在改變人類世界的未來。波士頓咨詢公司預測，到本世紀末，合成生物學手段將廣泛應用在占全球產出1/3以上的制造業(yè)。
中國科學界和企業(yè)也在行動。今年，由清華、北大等8所國內高校、研究院所的16個研究團隊與16家合成生物產業(yè)鏈上下游企業(yè)聯(lián)合發(fā)起的“合成生物技術與智能生物制造創(chuàng)新聯(lián)盟”在北京成立，將在這場科技革命中踏浪弄潮。
手術臺上的搖臂
患者手術路徑被輸入“大腦”后，機器人通過一個小切口將器械置入患者體內，精準避開患者的血管、神經，運動到指定位置后打孔。一臺醫(yī)療機器人就這樣輔助醫(yī)生完成骨科手術，誤差可達微米級，精準和微創(chuàng)大大降低了患者的痛苦。
過去的機器人很“剛”，能搬能抬，能抓能握；現(xiàn)在的機器人更“柔”，剝蛋殼、打針、縫合傷口等精細活兒都不在話下。這些靈巧聰明的機器人是怎樣生產出來的？記者在北京順義區(qū)的一家機器人工廠找到了答案。
醫(yī)療專用機械臂是手術機器人的核心零部件，直接決定手術機器人的操控精度和穩(wěn)定性。完成一個靈敏的機械臂并非易事。巴掌大小的關鍵零部件精密排布著編碼器、減速機和電路，這是機械臂成形的最小組件。不同規(guī)格的關節(jié)組成了機械臂的肩膀、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)療機器人完成高精度作業(yè)的奧秘之一，就在于“手臂”定位準確、操控穩(wěn)定、運動靈巧。
“各關節(jié)由獨立的一體化關節(jié)單獨驅動，配合高度靈敏的力矩傳感器和機器視覺，在自研驅動算法控制下，機器人操作系統(tǒng)與外部設備協(xié)同，最終實現(xiàn)‘手腦眼’協(xié)同?！北本┧检`機器人科技有限責任公司副總經理陳尉介紹，當前其自研的力矩傳感器靈敏程度，相當于“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，一臺足夠智能的機器人必須具備聰慧的“大腦”。
基于10多年的技術沉淀，思靈機器人集機器人操作系統(tǒng)、多模態(tài)感知、運動控制等核心技術于一身，已有100多項專利傍身，基本實現(xiàn)核心技術自研。
基于此，思靈機器人已參與了多項骨科手術、神經外科手術、腔鏡手術，并將基礎研究延伸至腦機接口應用領域。
“以前做完脊柱手術患者要10多天才能下床，現(xiàn)在經過微創(chuàng)手術一天就能下床，術后只留下幾個口徑數(shù)毫米的小孔，減少了術后并發(fā)癥的發(fā)生。”陳尉表示，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。
目前，越來越智能的機器人廣泛應用到骨科、神經外科、康復科等，膠囊內鏡機器人、采血機器人、護理機器人等成為醫(yī)生的“得力助手”。
前瞻產業(yè)研究院的報告顯示，2017年至2021年，我國醫(yī)療機器人的市場規(guī)模增速均在20%以上。初步測算，2022年我國醫(yī)療機器人市場規(guī)模近百億元。
這些機器人還為工業(yè)、農業(yè)、教育及服務等生產生活提供服務。在思靈機器人服務的一個現(xiàn)代化智能制造工廠，一臺臺智能機器人在生產線上完成產品的組裝、檢測，這些產品以每小時數(shù)百臺的速度下線，且滿足產品良品率達到至少99.5%的要求，生產線基本實現(xiàn)無人化。
創(chuàng)新技術不斷迭代，數(shù)字化應用場景需求更多元，政策環(huán)境驅動為我國醫(yī)療機器人快速發(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器人產業(yè)的發(fā)展；北京、上海等地將手術機器人納入醫(yī)保范疇；北京成立了第一家由政府主導的醫(yī)療機器人技術協(xié)同創(chuàng)新平臺——北京醫(yī)療機器人產業(yè)創(chuàng)新中心……
專家表示，未來隨著醫(yī)療機器人與人工智能、腦際交互、5G、大數(shù)據(jù)等前沿技術深入融合，國產機器人產業(yè)將更加智能。
數(shù)據(jù)顯示，我國已經培育了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)所處的領域千差萬別，但靈魂都是創(chuàng)新。近三年，北京新設中小企業(yè)中，“科技型”占半數(shù)，超四成企業(yè)的核心技術產品填補國際國內空白。工信部數(shù)據(jù)顯示，“小巨人”企業(yè)累計獲得授權發(fā)明專利數(shù)14萬余項。隨著我國繼續(xù)推進專精特新中小企業(yè)培育工作，一批批創(chuàng)新能力強的“小巨人”必將不斷成長為真正的巨人。（記者 烏夢達 陳旭 陽娜 實習生 金梓純 北京報道）
（作者：烏夢達 陳旭 陽娜 金梓純)
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