2018年國內(nèi)十大技術(shù)突破：22納米光刻機、大型航天器回收

盤點這一年的核心技術(shù)：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(gòu)機“棄殼返回”、遠距離虹膜識別……哪一個不奪人眼球！

1 智能水刀 削鐵斷金

10月份的第四屆軍民融合發(fā)展高技術(shù)裝備成果展上，一把神奇的水刀吸引觀眾駐足。它以水為刀刃切割各種材料，分離海綿、鑿穿巖石、削斷鋼鐵，完勝激光切割。其全名五軸五聯(lián)動智能水刀，由上海獅邁科技有限公司（以下簡稱獅邁科技）研發(fā)生產(chǎn)，完全具備自主知識產(chǎn)權(quán)。

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，迫使加壓后的水從一個小噴嘴噴射出來，形成高速射流，在這股高速射流里加入鋒利破碎的小顆粒，形成高速磨料射流。

水刀能量巨大，高壓水高速射流以3倍音速打向切割對象，實現(xiàn)切割。相比“前輩”激光切割，水刀切割過程是一個高速磨削加快速冷卻的過程，沒有熱損傷和熱變形，沒有煙霧和粉塵，綠色環(huán)保。簡單說，激光能切不能切的，水刀都能切。波音公司、空客公司都大量使用智能水刀進行機械加工。

水刀、激光和等離子切割實現(xiàn)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(zhì)控制系統(tǒng)。通過采用數(shù)學模型精準預測射流行走路徑上每一點的誤差，實現(xiàn)對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(shù)精確的控制，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標。

2 虹膜識別 1.2米遠兩秒搞定

虹膜識別是除DNA以外最可靠的生物識別技術(shù)，唯一、防偽。最開始虹膜識別要像用望遠鏡一樣把眼睛貼在設(shè)備上，后來擴大到設(shè)備半米內(nèi)識別。11月份，虹星科技正式投產(chǎn)“駕駛員生物特征識別一體機”，將虹膜識別距離拓展到1.2米，掃一眼即可，無需過多配合。

每個人的虹膜都獨一無二。紅外光條件下，可呈現(xiàn)豐富紋理特性，穩(wěn)定特征點200多個，刷眼后儀器提取出具備高區(qū)分力的特征碼，與數(shù)據(jù)庫進行比對，這一過程稱為虹膜識別。虹膜識別的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在龐大數(shù)據(jù)庫中精準找人。在監(jiān)控視頻中準確找一個人，1萬的人群基數(shù)用人臉識別，10萬人以下用指紋識別，100萬個人應當用虹膜識別。

虹膜僅約1平方厘米，人臉是300平方厘米，識別難度相差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，會讓成像存在運動模糊、眼皮遮擋等一系列問題。

虹星科技成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；將智能算法移到成像設(shè)備內(nèi)，使成像與計算協(xié)同作業(yè)；快速圖像質(zhì)量判斷算法，丟棄低質(zhì)量圖像，專注識別高質(zhì)量虹膜圖像；優(yōu)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米距離內(nèi)2秒虹膜識別。

3 海底盾構(gòu)機 實現(xiàn)“功成身退”

打海底隧道的盾構(gòu)機，只能掘進不能后退，價值幾千萬元的設(shè)備往往“一去不復返”。8月20日，廈門地鐵3號線海底隧道中，伴隨著最后一塊刀盤被拆下，海底的盾構(gòu)機在世界上第一次成功實現(xiàn)倒退返回。

盾構(gòu)機是打洞能手，它的頭是一塊布滿“牙齒”的圓盤，不停旋轉(zhuǎn)，啃掉泥土和石頭，長100多米、重約800噸的長筒身子里，有馬達和泥漿循環(huán)管道。它身后的新空間拼貼上弧形的水泥管片，隧道就此成型。但是，盾構(gòu)法施工使身后洞徑變小，所以盾構(gòu)機無法后退，通常永久封存在隧道旁的死胡同里。

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

海底隧道40℃高溫，拆機用火焰切割，相當危險。為此拆機“三班倒”，隧道內(nèi)每間隔100米還增設(shè)一臺大功率電扇通風。拆機前的詳細交底，動火作業(yè)前的消防設(shè)施準備，動火中的洞內(nèi)氣體實時檢測。并定制專用重載板車，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(gòu)機14000多個零部件都安全拆除，裝箱運回倉庫。盾構(gòu)機的殼體，留在隧道里做內(nèi)壁。這創(chuàng)造了又一個中國工程之最。

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誕生。拿下全球重量級別最高、單體最大的人造藍寶石晶體“桂冠”。將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產(chǎn)領(lǐng)域的重要原材料。小到智能手機攝像頭、觸摸屏、LED燈，大到國之重器、高強度激光、天文觀測系統(tǒng)光學元器件，應用日益廣泛。

新世紀以來，我國藍寶石生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝仍然很大程度依賴進口，特別是我國的生產(chǎn)能力和產(chǎn)品尺寸還不能滿足國防科技、國之重器的全面需求。

此顆人造藍寶石基于世界主流的泡生法生產(chǎn)技術(shù)。原理是先將氧化鋁原料加熱至熔點后形成熔湯，再以籽晶棒接觸到熔湯表面，在籽晶棒與熔湯的固液界面上開始生長和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶，晶種以極緩慢的速度往上拉升，最后凝固成一整個單晶晶碇。

這一過程漫長，對爐溫控制、生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)應用有極苛刻的要求。生產(chǎn)450公斤級產(chǎn)品，與生產(chǎn)200公斤級、350公斤級產(chǎn)品，其技術(shù)要求不在一個層面，有質(zhì)的區(qū)別。該公司總經(jīng)理張俊說：“我們的核心技術(shù)是自主研發(fā)的自動化生產(chǎn)設(shè)備、熱產(chǎn)設(shè)計理論和微觀工藝應用，從原材料選取、加工、生產(chǎn)，全部是中國制造。”

5 最薄玻璃 厚度僅0.12毫米

繼0.15毫米之后，中國技術(shù)人員追求極致，拉出0.12毫米的超薄電子觸控玻璃，又創(chuàng)浮法技術(shù)工業(yè)化生產(chǎn)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(chǔ)材料。玻璃越薄，透光性、柔韌性越好，越容易碎。但最新研制的0.12毫米超薄玻璃，被彎曲成環(huán)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(xiàn)在薄如紙片的0.12毫米，企業(yè)方解決了玻璃拉薄、微缺陷、三大熱工設(shè)備的設(shè)計制造和玻璃配方四大難題，開發(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(shù)手段。

從0.15毫米到0.12毫米，為這肉眼幾乎無法分辨的0.03毫米，團隊攻關(guān)2年。在熔化工藝、成型工藝、切割工藝、檢驗包裝和裝備技術(shù)等方面，突破1000多項技術(shù)瓶頸后，世界最薄的0.12毫米浮法玻璃終于誕生。幾年前國內(nèi)上百條顯示面板生產(chǎn)線的玻璃和設(shè)備完全依賴進口，現(xiàn)在國內(nèi)超薄玻璃技術(shù)國際領(lǐng)先，競爭力很強。顯示屏價格降下來，電子產(chǎn)品相對更實惠了。目前該公司已經(jīng)開始著手研發(fā)0.1毫米超薄玻璃。

6 航天器回收 重量推至7噸以上

火箭回收和復用是馬斯克SpaceX的重要標簽。其實，我國也回收過3.5噸的神舟飛船載人艙。11月，航天五院508所驗證關(guān)鍵技術(shù)，可將我國航天器回收重量推至7噸以上。這與508所成功研制出大型群傘系統(tǒng)和大載重著陸緩沖系統(tǒng)密不可分。該所采用直升機外掛投放7噸級模型的方式，成功進行我國首次大型群傘系統(tǒng)及大載重著陸緩沖系統(tǒng)空投試驗，多項大型航天器回收領(lǐng)域主要技術(shù)指標達到國際先進水平。

回收航天器，再入返回時的初級減速主要靠減速傘。有別于神舟飛船的單傘系統(tǒng)，全新研制的減速傘是群傘系統(tǒng)，由2頂減速傘、3頂主傘組成。減速傘的承載能力、傘型設(shè)計大幅優(yōu)化；主傘則保證了各傘之間充氣的一致同步。該群傘系統(tǒng)多級收口與展開，有效降低了開傘載荷。

著陸回收階段，大載重航天器無損著陸回收對著陸緩沖系統(tǒng)要求甚高。為此，508所科研團隊攻克了多氣囊組合緩沖動力學建模與仿真等多項關(guān)鍵技術(shù)；著陸緩沖過程時間極短，又研制了高靈敏度著陸敏感器，解決了快速響應著陸緩沖控制問題。最終保證系統(tǒng)可靠工作，返回艙著陸穩(wěn)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”通過驗收。這個世界上首臺用紫外光源實現(xiàn)了22納米分辨率的光刻機，意義在于用便宜的光源實現(xiàn)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，一張平面材料想刻出繁復圖案，都可以用光刻。光刻機相當于一臺投影儀，光就是一把雕刻刀，在感光平板上“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，一臺3000萬元，還要在真空下使用。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。

中科院研制的這種光刻機擅長加工包括大口徑薄膜鏡在內(nèi)的一系列納米功能器件，對中國的遙感成像、生化痕量測量、特種表面材料等領(lǐng)域有重要意義。

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

8 、細粒度圖像識別 “看”一眼就結(jié)賬

在傳統(tǒng)計算機視覺研究中，圖像識別的目標對象隸屬類別通常是諸如“狗”“車”和“鳥”等傳統(tǒng)意義上的類別分類。但大家應該都有這樣的經(jīng)歷：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。然而，細粒度級別圖像識別技術(shù)便能準確分辨出哪怕細微差異的目標對象，解決此類難題。

現(xiàn)落地于南京快餐廳的細粒度圖像識別智慧收銀系統(tǒng)，可以近100%識別率，精確識別幾十種菜品，該系統(tǒng)在具體運行時，食客僅需將選好的菜品放在識別區(qū)，系統(tǒng)便會立刻顯示出菜品清單和價格，即可進行結(jié)算。

曠視科技Face++南京研究院負責人魏秀參博士表示：“首先，我們通過數(shù)據(jù)采集收集到待識別菜品近千張的圖像信息，之后針對諸多菜品間細微的差異設(shè)計基于深度學習的細粒度級別圖像識別算法。該算法除常規(guī)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡模塊對整盤菜品獲取全局性的判別信息外，還包含一個‘注意力’模塊，可自動‘聚焦’到差異細微菜品的局部圖像區(qū)域。這些局部區(qū)域可有效輔助算法進行細粒度級別的菜品識別?！边@樣，整張細粒度圖像識別特征既包含了菜品級別特征，又包含了更強判別性的局部特征，使得分類準確無誤。相比傳統(tǒng)標簽結(jié)算的方式，細粒度圖像識別技術(shù)大大降低了系統(tǒng)及人力成本，同時大幅提升了顧客點餐結(jié)賬的效率。

9 、特高壓絕緣子 劣質(zhì)黏土造“瓷器活”

變電站和高壓輸電線路的基礎(chǔ)設(shè)施中，有一種重十幾公斤到幾十公斤的瓷瓶，名為絕緣子，異常重要卻常被忽略。針對我國特高壓電網(wǎng)的使用要求，承受百萬伏高壓和數(shù)十噸拉力是絕緣子產(chǎn)品的核心性能。12月份，全球首條瓷絕緣子自動化生產(chǎn)線在內(nèi)蒙古精誠絕緣子有限公司的廠區(qū)內(nèi)正式啟動調(diào)試。

該公司用劣質(zhì)黏土做出比優(yōu)質(zhì)黏土密實度更高的產(chǎn)品，頂住百萬伏特，在行業(yè)內(nèi)是一次技術(shù)革命。

為此，公司團隊多年來對伴生黏土進行數(shù)百次顆粒成分分析和配方實驗，將伴生非優(yōu)質(zhì)黏土占產(chǎn)品原料的比例確定在60%，最終獲取自主知識產(chǎn)權(quán)的“絕密配方”，實現(xiàn)每款特高壓絕緣子能服役50年的目標。

不僅如此，通過近十年來20多項技術(shù)集成創(chuàng)新，世界瓷絕緣子行業(yè)夢寐以求的自動化生產(chǎn)也實現(xiàn)了。全球首條自動化生產(chǎn)線在精誠絕緣子的車間誕生。生產(chǎn)線上的輥道窯好似傳送帶，輥子轉(zhuǎn)動使陶瓷從窯頭傳送到窯尾的過程中，就完成了從配料、制作、上釉、烤制、檢測，再到最后包裝的全自動化生產(chǎn)。

10 、水紋溯源 揪出排污企業(yè)

今年，生態(tài)環(huán)境部對30個省區(qū)市70個城市的黑臭水體整治開展了現(xiàn)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，違法排污問題就被掩蓋了。

清華大學環(huán)境學院吳靜課題組自主研發(fā)的這款水質(zhì)“指紋”識別器，擔當了我國治污界的福爾摩斯，可依靠水紋揪出污染“嫌疑犯”。

每家企業(yè)的廢水中，都包含自身獨特信息，主要是殘留污染物，這就是廢水的水紋。每種物質(zhì)發(fā)出的熒光都不一樣，物質(zhì)濃度越高，在圖譜中就越突出，而采集水質(zhì)“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(shù)據(jù)庫，把需要檢測的水質(zhì)指紋與水紋庫比對，就能發(fā)現(xiàn)“嫌疑犯”了。

一旦水紋超過預警限值，24小時監(jiān)測儀器會自動預警。

此外，儀器會自動保存水質(zhì)指紋10年以上，發(fā)現(xiàn)問題，自動留取異常水紋作為追查證據(jù)。還可與其他類型的污染溯源技術(shù)相互補充，形成組合拳，將原先數(shù)周的排查時間縮短為半小時左右，且證據(jù)確鑿，監(jiān)管指向清晰。