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。數據顯示，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>

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　　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

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　　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，工廠自研的數字孿生技術將實時數據顯示在屏幕上，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?！北本h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)?！睗h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、數控系統(tǒng)、三維測量和建模系統(tǒng)，到多軸數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。”公司負責人說，科研人員經過數十年探索和鉆研，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。

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　　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

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　　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，構建出可實現開放、無滅菌、連續(xù)培養(yǎng)的超級細胞工廠平臺。

　　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S董事長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)聯合發(fā)起的“合成生物技術與智能生物制造創(chuàng)新聯盟”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，再通過數據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)與外部設備協同，最終實現‘手腦眼’協同。”北京思靈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，現在經過微創(chuàng)手術一天就能下床，術后只留下幾個口徑數毫米的小孔，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，生產線基本實現無人化。

　　創(chuàng)新技術不斷迭代，數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、大數據等前沿技術深入融合，國產機器人產業(yè)將更加智能。

　　數據顯示，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，超四成企業(yè)的核心技術產品填補國際國內空白。工信部數據顯示，“小巨人”企業(yè)累計獲得授權發(fā)明專利數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。