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航空發(fā)動機葉片這顆“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(chǎn)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(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(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(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,。
“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(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發(fā)動機裝空調(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,。”北京漢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(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),?！睗h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)動機和燃?xì)廨啓C等多個尖端領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅解決了我國航空發(fā)動機和燃?xì)廨啓C核心部件渦輪葉片大批量產(chǎn)的瓶頸,，更打破了國際先進裝備制造的技術(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9084架，價值約1.4萬億美元,。
“國產(chǎn)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(chǎn)大飛機翱翔云天,?！睗h飛公司負(fù)責(zé)人說。
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在北京微構(gòu)工場生物技術(shù)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(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)中心主任陳國強教授告訴記者。
2003年,，陳國強領(lǐng)導(dǎo)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(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(shù),，誤差可達微米級,，精準(zhǔn)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(xì)活兒都不在話下,。這些靈巧聰明的機器人是怎樣生產(chǎn)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(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(wěn)定性。完成一個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(guān)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(zhǔn)確,、操控穩(wěn)定,、運動靈巧。
“各關(guān)節(jié)由獨立的一體化關(guān)節(jié)單獨驅(qū)動,，配合高度靈敏的力矩傳感器和機器視覺,，在自研驅(qū)動算法控制下，機器人操作系統(tǒng)與外部設(shè)備協(xié)同,，最終實現(xiàn)‘手腦眼’協(xié)同,。”北京思靈機器人科技有限責(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(tǒng)、多模態(tài)感知,、運動控制等核心技術(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,?！标愇颈硎荆检`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(chǎn)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(nóng)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)的一個現(xiàn)代化智能制造工廠，一臺臺智能機器人在生產(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(chǎn)業(yè)的發(fā)展；北京,、上海等地將手術(shù)機器人納入醫(yī)保范疇,；北京成立了第一家由政府主導(dǎo)的醫(yī)療機器人技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新平臺——北京醫(yī)療機器人產(chǎn)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(shù)深入融合,，國產(chǎn)機器人產(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,。
國企領(lǐng)跑 山西構(gòu)建“多業(yè)支撐”現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系
通過建鏈,、補鏈、延鏈,、強鏈,，努力實現(xiàn)從“一業(yè)獨大”向“多業(yè)支撐”轉(zhuǎn)變。
