航空發(fā)動(dòng)機葉片這顆“皇冠上的明珠”如何摘得？“超級細胞工廠(chǎng)”如何孕育出構建萬(wàn)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(lái)，越來(lái)越多掌握“黑科技”的“專(zhuān)精特新”企業(yè)成為中國制造的重要支撐。數據顯示，我國已累計培育專(zhuān)精特新“小巨人”企業(yè)1.2萬(wàn)余家、專(zhuān)精特新中小企業(yè)超9.8萬(wàn)家。近期，記者走進(jìn)北京幾家掌握“黑科技”的專(zhuān)精特新企業(yè)，一窺他們的科技創(chuàng )新能力和廣闊發(fā)展潛力。

　　天空上的葉片

　　航空發(fā)動(dòng)機制造技術(shù)被稱(chēng)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(cháng)期以來(lái)，能制造新型航空發(fā)動(dòng)機的只有美、英、法、俄等少數國家。

　　欲戴“皇冠”，必承其重：托起重達百?lài)嵉拇箫w機遨游天空，航空發(fā)動(dòng)機要提供巨大推力，其動(dòng)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(zhì)量的1萬(wàn)倍，相當于一個(gè)渦輪葉片掛著(zhù)5輛小轎車(chē)。

　　這樣的高速轉動(dòng)，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(cháng)時(shí)間穩定、可靠、安全地工作。

　　長(cháng)期以來(lái)，這類(lèi)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(zhù)自己研制的國際領(lǐng)先的電加工設備和數字孿生技術(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(xiàn)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(dòng)加工，透過(guò)防護窗看到，由機床自動(dòng)控制的電火花在葉片表面舞動(dòng)，機器人穿梭在機床、垛料區和檢驗區之間。在控制室，工廠(chǎng)自研的數字孿生技術(shù)將實(shí)時(shí)數據顯示在屏幕上，氣膜孔自適應加工指令由此下達。

　　“這是一個(gè)單晶渦輪葉片，是新型航空發(fā)動(dòng)機和燃汽輪機的關(guān)鍵核心部件，是‘動(dòng)力之源’，而我們漢飛公司的工作就像給飛機發(fā)動(dòng)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?！北本h飛航空科技有限公司負責人指著(zhù)一個(gè)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(gè)軸線(xiàn)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，加工氣膜孔時(shí)不能碰傷到內腔內壁，如果打孔時(shí)有一絲偏差，渦輪葉片在高溫高速工況下就會(huì )燒毀，飛機就可能掉下來(lái)。

　　“一臺飛機發(fā)動(dòng)機的渦輪葉片需加工多達幾萬(wàn)個(gè)氣膜孔，猶如‘螺螄殼里做道場(chǎng)’，必須確保每個(gè)氣膜孔都嚴格按設計加工?！睗h飛公司負責人說(shuō)。

　　“成百上千個(gè)小孔噴出冷卻氣體，形成氣膜，把葉片包裹起來(lái)，才能將燃燒室高溫氣體與葉片表面隔開(kāi)。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?！睗h飛公司負責人說(shuō)。

　　公司負責人介紹，他們通過(guò)單晶渦輪葉片氣膜孔數字化加工技術(shù)和自主研發(fā)的裝備，開(kāi)拓了在新型航空發(fā)動(dòng)機和燃氣輪機等多個(gè)尖端領(lǐng)域的應用，不僅解決了我國航空發(fā)動(dòng)機和燃氣輪機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，這也標志著(zhù)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、數控系統、三維測量和建模系統，到多軸數控電加工機床和智能生產(chǎn)線(xiàn)，都是我們自己研制的，擁有自主知識產(chǎn)權?！惫矩撠熑苏f(shuō)，科研人員經(jīng)過(guò)數十年探索和鉆研，使得單晶渦輪葉片加工合格率達到國際領(lǐng)先水平。

　　中國商飛預測，2021年至2040年中國航空市場(chǎng)需要新添50座級以上客機9084架，價(jià)值約1.4萬(wàn)億美元。

　　“國產(chǎn)大飛機運營(yíng)為我國航空制造業(yè)帶來(lái)了巨大機遇，我們要緊抓機遇，讓搭載自主發(fā)動(dòng)機的國產(chǎn)大飛機翱翔云天?！睗h飛公司負責人說(shuō)。

　　細胞里的工廠(chǎng)

　　一個(gè)細胞能干什么？

　　在北京市順義區中德產(chǎn)業(yè)園的一間實(shí)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(gè)小時(shí)后，發(fā)酵罐里“長(cháng)”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用于生物材料、紡織、農業(yè)和醫藥等領(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)是細菌菌體形成的菌落，每一個(gè)菌體都是一個(gè)‘超級細胞工廠(chǎng)’?！鼻迦A大學(xué)合成與系統生物學(xué)中心主任陳國強教授告訴記者。

　　2003年，陳國強領(lǐng)導的科研團隊在中國新疆的艾丁湖發(fā)現了這種“神奇微生物”：它能在幾乎無(wú)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(cháng)的環(huán)境下都幾乎無(wú)法存活，因此它具有天然的“免疫力”，可在開(kāi)放、無(wú)滅菌的環(huán)境下被直接培養。

　　這種超級細胞，就成為細胞工廠(chǎng)的絕佳“生物底座”。

　　人們生活中大量的塑料、服飾、醫療等產(chǎn)品，大都由傳統化工產(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(lái)合成人類(lèi)生活所需的工業(yè)產(chǎn)品，成為未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。

　　專(zhuān)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胞微工廠(chǎng)，對物質(zhì)進(jìn)行定向、高效、大規模的加工轉化。因此，合成生物學(xué)被多國列入戰略型新興技術(shù)，被科學(xué)界稱(chēng)為“第三次生物技術(shù)革命”。

　　如果用普通的微生物來(lái)制造高分子材料，就必須用嚴格無(wú)菌的環(huán)境。經(jīng)過(guò)20年研究，來(lái)自中國艾丁湖的微生物經(jīng)過(guò)20多次迭代和基因改造，終于從實(shí)驗室走到生產(chǎn)線(xiàn)，構建出可實(shí)現開(kāi)放、無(wú)滅菌、連續培養的超級細胞工廠(chǎng)平臺。

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

　　“和傳統的化工生產(chǎn)線(xiàn)相比，我們的生產(chǎn)線(xiàn)顯得過(guò)于簡(jiǎn)潔，這恰恰是優(yōu)勢?！蔽嫻S(chǎng)董事長(cháng)徐絢明指著(zhù)背后的生產(chǎn)線(xiàn)向記者介紹，因為不用傳統化工產(chǎn)業(yè)的嚴格無(wú)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)醫藥原料四氫嘧啶、化合物3-羥基丙酸、賴(lài)氨酸、淀粉酶等。微生物從實(shí)驗室中走出來(lái)，成長(cháng)為構建萬(wàn)物的材料，應用到人類(lèi)生活，最終又無(wú)毒無(wú)害回歸自然。

　　PHA的應用還不止于此。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(kāi)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，為研制新的預防骨質(zhì)疏松藥物，提供可能?！标悋鴱娊淌诮榻B

　　在肉眼不可見(jiàn)的顯微世界，合成生物學(xué)正在改變人類(lèi)世界的未來(lái)。波士頓咨詢(xún)公司預測，到本世紀末，合成生物學(xué)手段將廣泛應用在占全球產(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(dòng)。今年，由清華、北大等8所國內高校、研究院所的16個(gè)研究團隊與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(chǎng)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，機器人通過(guò)一個(gè)小切口將器械置入患者體內，精準避開(kāi)患者的血管、神經(jīng)，運動(dòng)到指定位置后打孔。一臺醫療機器人就這樣輔助醫生完成骨科手術(shù)，誤差可達微米級，精準和微創(chuàng )大大降低了患者的痛苦。

　　過(guò)去的機器人很“剛”，能搬能抬，能抓能握；現在的機器人更“柔”，剝蛋殼、打針、縫合傷口等精細活兒都不在話(huà)下。這些靈巧聰明的機器人是怎樣生產(chǎn)出來(lái)的？記者在北京順義區的一家機器人工廠(chǎng)找到了答案。

　　醫療專(zhuān)用機械臂是手術(shù)機器人的核心零部件，直接決定手術(shù)機器人的操控精度和穩定性。完成一個(gè)靈敏的機械臂并非易事。巴掌大小的關(guān)鍵零部件精密排布著(zhù)編碼器、減速機和電路，這是機械臂成形的最小組件。不同規格的關(guān)節組成了機械臂的肩膀、手肘和手腕，再通過(guò)數據線(xiàn)和電路連接在一起，做成手臂的造型。

　　醫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、操控穩定、運動(dòng)靈巧。

　　“各關(guān)節由獨立的一體化關(guān)節單獨驅動(dòng)，配合高度靈敏的力矩傳感器和機器視覺(jué)，在自研驅動(dòng)算法控制下，機器人操作系統與外部設備協(xié)同，最終實(shí)現‘手腦眼’協(xié)同?！北本┧检`機器人科技有限責任公司副總經(jīng)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(shù)沉淀，思靈機器人集機器人操作系統、多模態(tài)感知、運動(dòng)控制等核心技術(shù)于一身，已有100多項專(zhuān)利傍身，基本實(shí)現核心技術(shù)自研。

　　基于此，思靈機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)，并將基礎研究延伸至腦機接口應用領(lǐng)域。

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

　　目前，越來(lái)越智能的機器人廣泛應用到骨科、神經(jīng)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，我國醫療機器人的市場(chǎng)規模增速均在20%以上。初步測算，2022年我國醫療機器人市場(chǎng)規模近百億元。

　　這些機器人還為工業(yè)、農業(yè)、教育及服務(wù)等生產(chǎn)生活提供服務(wù)。在思靈機器人服務(wù)的一個(gè)現代化智能制造工廠(chǎng)，一臺臺智能機器人在生產(chǎn)線(xiàn)上完成產(chǎn)品的組裝、檢測，這些產(chǎn)品以每小時(shí)數百臺的速度下線(xiàn)，且滿(mǎn)足產(chǎn)品良品率達到至少99.5%的要求，生產(chǎn)線(xiàn)基本實(shí)現無(wú)人化。

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

　　專(zhuān)家表示，未來(lái)隨著(zhù)醫療機器人與人工智能、腦際交互、5G、大數據等前沿技術(shù)深入融合，國產(chǎn)機器人產(chǎn)業(yè)將更加智能。

　　數據顯示，我國已經(jīng)培育了7萬(wàn)多家專(zhuān)精特新中小企業(yè)，其中專(zhuān)精特新“小巨人”企業(yè)8997家。去年新上市企業(yè)中，專(zhuān)精特新中小企業(yè)占了59%，累計已經(jīng)有1300多家專(zhuān)精特新中小企業(yè)在A(yíng)股上市，占A股上市企業(yè)總數的27%。

　　專(zhuān)精特新“小巨人”企業(yè)所處的領(lǐng)域千差萬(wàn)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，超四成企業(yè)的核心技術(shù)產(chǎn)品填補國際國內空白。工信部數據顯示，“小巨人”企業(yè)累計獲得授權發(fā)明專(zhuān)利數14萬(wàn)余項。隨著(zhù)我國繼續推進(jìn)專(zhuān)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(cháng)為真正的巨人。

□記者 烏夢(mèng)達 陳旭 陽(yáng)娜 實(shí)習生 金梓純 北京報道