2018年國(guó)内十大技術突破：22納米光刻機、大型航天器回收

盤點這(zhè)一年的核心技術：22納米光刻機、450公斤人造藍寶石、0.12毫米玻璃、大型航天器回收、盾構機“棄殼返回”、遠距離虹膜識别……哪一個不奪人眼球！

1 智能(néng)水刀 削鐵斷金

10月份的第四屆軍民融合發(fā)展高技術裝備成(chéng)果展上，一把神奇的水刀吸引觀衆駐足。它以水爲刀刃切割各種(zhǒng)材料，分離海綿、鑿穿岩石、削斷鋼鐵，完勝激光切割。其全名五軸五聯動智能(néng)水刀，由上海獅邁科技有限公司（以下簡稱獅邁科技）研發(fā)生産，完全具備自主知識産權。

水刀原理和孩子們玩的水槍很像。給普通自來水加壓到4000個大氣壓以上，迫使加壓後(hòu)的水從一個小噴嘴噴射出來，形成(chéng)高速射流，在這(zhè)股高速射流裡(lǐ)加入鋒利破碎的小顆粒，形成(chéng)高速磨料射流。

水刀能(néng)量巨大，高壓水高速射流以3倍音速打向(xiàng)切割對(duì)象，實現切割。相比“前輩”激光切割，水刀切割過(guò)程是一個高速磨削加快速冷卻的過(guò)程，沒(méi)有熱損傷和熱變形，沒(méi)有煙霧和粉塵，綠色環保。簡單說，激光能(néng)切不能(néng)切的，水刀都(dōu)能(néng)切。波音公司、空客公司都(dōu)大量使用智能(néng)水刀進(jìn)行機械加工。

水刀、激光和等離子切割實現精密切割是難點。獅邁科技經(jīng)3年研發(fā)了一套獨特高品質控制系統。通過(guò)采用數學(xué)模型精準預測射流行走路徑上每一點的誤差，實現對(duì)射流每一步行走的速度、加速度、切割頭的偏擺角度以及射流的特性參數精确的控制，在切割效率最大化的情況下達到自動消除誤差的高精度目标。

2 虹膜識别 1.2米遠兩(liǎng)秒搞定

虹膜識别是除DNA以外最可靠的生物識别技術，唯一、防僞。最開(kāi)始虹膜識别要像用望遠鏡一樣(yàng)把眼睛貼在設備上，後(hòu)來擴大到設備半米内識别。11月份，虹星科技正式投産“駕駛員生物特征識别一體機”，將(jiāng)虹膜識别距離拓展到1.2米，掃一眼即可，無需過(guò)多配合。

每個人的虹膜都(dōu)獨一無二。紅外光條件下，可呈現豐富紋理特性，穩定特征點200多個，刷眼後(hòu)儀器提取出具備高區分力的特征碼，與數據庫進(jìn)行比對(duì)，這(zhè)一過(guò)程稱爲虹膜識别。虹膜識别的優勢主要體現在龐大數據庫中精準找人。在監控視頻中準确找一個人，1萬的人群基數用人臉識别，10萬人以下用指紋識别，100萬個人應當用虹膜識别。

虹膜僅約1平方厘米，人臉是300平方厘米，識别難度相差300倍。距離稍遠，難以采集到清晰的虹膜紋理；而且人本身的晃動和眨眼，會讓成(chéng)像存在運動模糊、眼皮遮擋等一系列問題。

虹星科技成(chéng)像階段使用千萬像素以上的圖像傳感器，保證足夠的虹膜分辨率；精心計算近紅外光源的角度和強度，在不傷害人眼的前提下照亮虹膜紋理；將(jiāng)智能(néng)算法移到成(chéng)像設備内，使成(chéng)像與計算協同作業；快速圖像質量判斷算法，丢棄低質量圖像，專注識别高質量虹膜圖像；優化算法，一秒處理上百張千萬像素的虹膜圖像。最終做到了1.2米距離内2秒虹膜識别。

3 海底盾構機 實現“功成(chéng)身退”

打海底隧道(dào)的盾構機，隻能(néng)掘進(jìn)不能(néng)後(hòu)退，價值幾千萬元的設備往往“一去不複返”。8月20日，廈門地鐵3号線海底隧道(dào)中，伴随著(zhe)最後(hòu)一塊刀盤被(bèi)拆下，海底的盾構機在世界上第一次成(chéng)功實現倒退返回。

盾構機是打洞能(néng)手，它的頭是一塊布滿“牙齒”的圓盤，不停旋轉，啃掉泥土和石頭，長(cháng)100多米、重約800噸的長(cháng)筒身子裡(lǐ)，有馬達和泥漿循環管道(dào)。它身後(hòu)的新空間拼貼上弧形的水泥管片，隧道(dào)就此成(chéng)型。但是，盾構法施工使身後(hòu)洞徑變小，所以盾構機無法後(hòu)退，通常永久封存在隧道(dào)旁的死胡同裡(lǐ)。

然而廈門地鐵3号線海底隧道(dào)施工方中鐵一局城軌公司想出了一個辦法，將(jiāng)盾構機拆掉運出來。他們請專家研究出在不轉動刀盤的情況下，調整割除角度的傾斜法，攻克了刀盤拆除的難題。

海底隧道(dào)40℃高溫，拆機用火焰切割，相當危險。爲此拆機“三班倒”，隧道(dào)内每間隔100米還(hái)增設一台大功率電扇通風。拆機前的詳細交底，動火作業前的消防設施準備，動火中的洞内氣體實時檢測。并定制專用重載闆車，解決了一次運送65噸部件的難題。

最終，拆機工期不到一個月，盾構機14000多個零部件都(dōu)安全拆除，裝箱運回倉庫。盾構機的殼體，留在隧道(dào)裡(lǐ)做内壁。這(zhè)創造了又一個中國(guó)工程之最。

4 人造藍寶石 450公斤破紀錄

2018年初，450公斤級人造藍寶石在我國(guó)誕生。拿下全球重量級别最高、單體最大的人造藍寶石晶體“桂冠”。將(jiāng)2017年俄羅斯保持的350公斤級世界紀錄提高了100公斤。

人造藍寶石是高科技生産領域的重要原材料。小到智能(néng)手機攝像頭、觸摸屏、LED燈，大到國(guó)之重器、高強度激光、天文觀測系統光學(xué)元器件，應用日益廣泛。

新世紀以來，我國(guó)藍寶石生産設備和生産工藝仍然很大程度依賴進(jìn)口，特别是我國(guó)的生産能(néng)力和産品尺寸還(hái)不能(néng)滿足國(guó)防科技、國(guó)之重器的全面(miàn)需求。

此顆人造藍寶石基于世界主流的泡生法生産技術。原理是先將(jiāng)氧化鋁原料加熱至熔點後(hòu)形成(chéng)熔湯，再以籽晶棒接觸到熔湯表面(miàn)，在籽晶棒與熔湯的固液界面(miàn)上開(kāi)始生長(cháng)和晶種(zhǒng)相同晶體結構的單晶，晶種(zhǒng)以極緩慢的速度往上拉升，最後(hòu)凝固成(chéng)一整個單晶晶碇。

這(zhè)一過(guò)程漫長(cháng)，對(duì)爐溫控制、生産系統協調應用有極苛刻的要求。生産450公斤級産品，與生産200公斤級、350公斤級産品，其技術要求不在一個層面(miàn)，有質的區别。該公司總經(jīng)理張俊說：“我們的核心技術是自主研發(fā)的自動化生産設備、熱産設計理論和微觀工藝應用，從原材料選取、加工、生産，全部是中國(guó)制造。”

5 最薄玻璃 厚度僅0.12毫米

繼0.15毫米之後(hòu)，中國(guó)技術人員追求極緻，拉出0.12毫米的超薄電子觸控玻璃，又創浮法技術工業化生産最薄玻璃的世界紀錄。5月份，蚌埠中建材信息顯示材料有限公司最新一批超薄玻璃下線。

超薄玻璃的厚度在0.1—1.1毫米之間，可用來做手機、電腦、電視顯示屏基礎材料。玻璃越薄，透光性、柔韌性越好(hǎo)，越容易碎。但最新研制的0.12毫米超薄玻璃，被(bèi)彎曲成(chéng)環狀也不會折斷。

玻璃厚度每下降0.1毫米，增加的制作難度超乎想象。從2013年的0.3毫米下降到現在薄如紙片的0.12毫米，企業方解決了玻璃拉薄、微缺陷、三大熱工設備的設計制造和玻璃配方四大難題，開(kāi)發(fā)了玻璃冷端的切裁、輸送以及缺陷在線檢測等一系列技術手段。

從0.15毫米到0.12毫米，爲這(zhè)肉眼幾乎無法分辨的0.03毫米，團隊攻關2年。在熔化工藝、成(chéng)型工藝、切割工藝、檢驗包裝和裝備技術等方面(miàn)，突破1000多項技術瓶頸後(hòu)，世界最薄的0.12毫米浮法玻璃終于誕生。幾年前國(guó)内上百條顯示面(miàn)闆生産線的玻璃和設備完全依賴進(jìn)口，現在國(guó)内超薄玻璃技術國(guó)際領先，競争力很強。顯示屏價格降下來，電子産品相對(duì)更實惠了。目前該公司已經(jīng)開(kāi)始著(zhe)手研發(fā)0.1毫米超薄玻璃。

6 航天器回收 重量推至7噸以上

火箭回收和複用是馬斯克SpaceX的重要标簽。其實，我國(guó)也回收過(guò)3.5噸的神舟飛船載人艙。11月，航天五院508所驗證關鍵技術，可將(jiāng)我國(guó)航天器回收重量推至7噸以上。這(zhè)與508所成(chéng)功研制出大型群傘系統和大載重著(zhe)陸緩沖系統密不可分。該所采用直升機外挂投放7噸級模型的方式，成(chéng)功進(jìn)行我國(guó)首次大型群傘系統及大載重著(zhe)陸緩沖系統空投試驗，多項大型航天器回收領域主要技術指标達到國(guó)際先進(jìn)水平。

回收航天器，再入返回時的初級減速主要靠減速傘。有别于神舟飛船的單傘系統，全新研制的減速傘是群傘系統，由2頂減速傘、3頂主傘組成(chéng)。減速傘的承載能(néng)力、傘型設計大幅優化；主傘則保證了各傘之間充氣的一緻同步。該群傘系統多級收口與展開(kāi)，有效降低了開(kāi)傘載荷。

著(zhe)陸回收階段，大載重航天器無損著(zhe)陸回收對(duì)著(zhe)陸緩沖系統要求甚高。爲此，508所科研團隊攻克了多氣囊組合緩沖動力學(xué)建模與仿真等多項關鍵技術；著(zhe)陸緩沖過(guò)程時間極短，又研制了高靈敏度著(zhe)陸敏感器，解決了快速響應著(zhe)陸緩沖控制問題。最終保證系統可靠工作，返回艙著(zhe)陸穩定。

7 、22納米光刻機 “雕”出精細線條

11月29日，中科院研制的“超分辨光刻裝備”通過(guò)驗收。這(zhè)個世界上首台用紫外光源實現了22納米分辨率的光刻機，意義在于用便宜的光源實現較高的分辨率，用于一些特殊制造場景。光刻機不光是制造芯片用，一張平面(miàn)材料想刻出繁複圖案，都(dōu)可以用光刻。光刻機相當于一台投影儀，光就是一把雕刻刀，在感光平闆上“雕”出精細的線條圖案。

使用深紫外光源的光刻機是主流，缺點是太昂貴；荷蘭ASML壟斷的極紫外光源的光刻機，更是貴到令人發(fā)指，一台3000萬元，還(hái)要在真空下使用。中科院研制的22納米光刻機采用紫外光汞燈，整機價格在百萬元級到千萬元級，加工能(néng)力則介于深紫外級和極紫外級之間，令人振奮。

中科院研制的這(zhè)種(zhǒng)光刻機擅長(cháng)加工包括大口徑薄膜鏡在内的一系列納米功能(néng)器件，對(duì)中國(guó)的遙感成(chéng)像、生化痕量測量、特種(zhǒng)表面(miàn)材料等領域有重要意義。

中科院光電所的科學(xué)家楊勇這(zhè)樣(yàng)解釋其原理，拿一塊金屬片和非金屬片親密接觸，界面(miàn)上有一些亂蹦的電子；光投影在金屬上，這(zhè)些電子就有序地震蕩，産生波長(cháng)幾十納米的電磁波，可用來光刻。

8 、細粒度圖像識别 “看”一眼就結賬

在傳統計算機視覺研究中，圖像識别的目标對(duì)象隸屬類别通常是諸如“狗”“車”和“鳥”等傳統意義上的類别分類。但大家應該都(dōu)有這(zhè)樣(yàng)的經(jīng)曆：逛街時看到路人的萌犬可愛至極，可僅知是“犬”殊不知其具體品種(zhǒng)。然而，細粒度級别圖像識别技術便能(néng)準确分辨出哪怕細微差異的目标對(duì)象，解決此類難題。

現落地于南京快餐廳的細粒度圖像識别智慧收銀系統，可以近100%識别率，精确識别幾十種(zhǒng)菜品，該系統在具體運行時，食客僅需將(jiāng)選好(hǎo)的菜品放在識别區，系統便會立刻顯示出菜品清單和價格，即可進(jìn)行結算。

曠視科技Face++南京研究院負責人魏秀參博士表示：“首先，我們通過(guò)數據采集收集到待識别菜品近千張的圖像信息，之後(hòu)針對(duì)諸多菜品間細微的差異設計基于深度學(xué)習的細粒度級别圖像識别算法。該算法除常規的卷積神經(jīng)網絡模塊對(duì)整盤菜品獲取全局性的判别信息外，還(hái)包含一個‘注意力’模塊，可自動‘聚焦’到差異細微菜品的局部圖像區域。這(zhè)些局部區域可有效輔助算法進(jìn)行細粒度級别的菜品識别。”這(zhè)樣(yàng)，整張細粒度圖像識别特征既包含了菜品級别特征，又包含了更強判别性的局部特征，使得分類準确無誤。相比傳統标簽結算的方式，細粒度圖像識别技術大大降低了系統及人力成(chéng)本，同時大幅提升了顧客點餐結賬的效率。

9 、特高壓絕緣子 劣質黏土造“瓷器活”

變電站和高壓輸電線路的基礎設施中，有一種(zhǒng)重十幾公斤到幾十公斤的瓷瓶，名爲絕緣子，異常重要卻常被(bèi)忽略。針對(duì)我國(guó)特高壓電網的使用要求，承受百萬伏高壓和數十噸拉力是絕緣子産品的核心性能(néng)。12月份，全球首條瓷絕緣子自動化生産線在内蒙古精誠絕緣子有限公司的廠區内正式啓動調試。

該公司用劣質黏土做出比優質黏土密實度更高的産品，頂住百萬伏特，在行業内是一次技術革命。

爲此，公司團隊多年來對(duì)伴生黏土進(jìn)行數百次顆粒成(chéng)分分析和配方實驗，將(jiāng)伴生非優質黏土占産品原料的比例确定在60%，最終獲取自主知識産權的“絕密配方”，實現每款特高壓絕緣子能(néng)服役50年的目标。

不僅如此，通過(guò)近十年來20多項技術集成(chéng)創新，世界瓷絕緣子行業夢寐以求的自動化生産也實現了。全球首條自動化生産線在精誠絕緣子的車間誕生。生産線上的輥道(dào)窯好(hǎo)似傳送帶，輥子轉動使陶瓷從窯頭傳送到窯尾的過(guò)程中，就完成(chéng)了從配料、制作、上釉、烤制、檢測，再到最後(hòu)包裝的全自動化生産。

10 、水紋溯源 揪出排污企業

今年，生态環境部對(duì)30個省區市70個城市的黑臭水體整治開(kāi)展了現場督查。督察期間如果下雨，黑臭水體會冒出來，不下雨黑臭水體藏得很好(hǎo)，違法排污問題就被(bèi)掩蓋了。

清華大學(xué)環境學(xué)院吳靜課題組自主研發(fā)的這(zhè)款水質“指紋”識别器，擔當了我國(guó)治污界的福爾摩斯，可依靠水紋揪出污染“嫌疑犯”。

每家企業的廢水中，都(dōu)包含自身獨特信息，主要是殘留污染物，這(zhè)就是廢水的水紋。每種(zhǒng)物質發(fā)出的熒光都(dōu)不一樣(yàng)，物質濃度越高，在圖譜中就越突出，而采集水質“指紋”就是采集廢水的熒光圖譜。廢水水紋庫，類似于警察的疑犯指紋數據庫，把需要檢測的水質指紋與水紋庫比對(duì)，就能(néng)發(fā)現“嫌疑犯”了。

一旦水紋超過(guò)預警限值，24小時監測儀器會自動預警。

此外，儀器會自動保存水質指紋10年以上，發(fā)現問題，自動留取異常水紋作爲追查證據。還(hái)可與其他類型的污染溯源技術相互補充，形成(chéng)組合拳，將(jiāng)原先數周的排查時間縮短爲半小時左右，且證據确鑿，監管指向(xiàng)清晰。