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

盤點(diǎn)這一年的核心技術(shù)：22納米光刻機(jī)、450公斤人造藍(lán)寶石、0.12毫米玻璃、大型航天器回收、盾構(gòu)機(jī)“棄殼返回”、遠(yuǎn)距離虹膜識(shí)別……哪一個(gè)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(dòng)智能水刀，由上海獅邁科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱獅邁科技）研發(fā)生產(chǎn)，完全具備自主知識(shí)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(gè)大氣壓以上，迫使加壓后的水從一個(gè)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(duì)象，實(shí)現(xiàn)切割。相比“前輩”激光切割，水刀切割過程是一個(gè)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(jiǎn)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(jìn)行機(jī)械加工。

水刀、激光和等離子切割實(shí)現(xiàn)精密切割是難點(diǎn)。獅邁科技經(jīng)3年研發(fā)了一套獨(dú)特高品質(zhì)控制系統(tǒng)。通過采用數(shù)學(xué)模型精準(zhǔn)預(yù)測(cè)射流行走路徑上每一點(diǎn)的誤差，實(shí)現(xiàn)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(shù)精確的控制，在切割效率最大化的情況下達(dá)到自動(dòng)消除誤差的高精度目標(biāo)。

2 虹膜識(shí)別 1.2米遠(yuǎn)兩秒搞定

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

每個(gè)人的虹膜都獨(dú)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(diǎn)200多個(gè)，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(kù)進(jìn)行比對(duì)，這一過程稱為虹膜識(shí)別。虹膜識(shí)別的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在龐大數(shù)據(jù)庫(kù)中精準(zhǔn)找人。在監(jiān)控視頻中準(zhǔn)確找一個(gè)人，1萬的人群基數(shù)用人臉識(shí)別，10萬人以下用指紋識(shí)別，100萬個(gè)人應(yīng)當(dāng)用虹膜識(shí)別。

虹膜僅約1平方厘米，人臉是300平方厘米，識(shí)別難度相差300倍。距離稍遠(yuǎn)，難以采集到清晰的虹膜紋理；而且人本身的晃動(dòng)和眨眼，會(huì)讓成像存在運(yùn)動(dòng)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(jì)算近紅外光源的角度和強(qiáng)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(jì)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(shí)別高質(zhì)量虹膜圖像；優(yōu)化算法，一秒處理上百?gòu)埱f像素的虹膜圖像。最終做到了1.2米距離內(nèi)2秒虹膜識(shí)別。

3 海底盾構(gòu)機(jī) 實(shí)現(xiàn)“功成身退”

打海底隧道的盾構(gòu)機(jī)，只能掘進(jìn)不能后退，價(jià)值幾千萬元的設(shè)備往往“一去不復(fù)返”。8月20日，廈門地鐵3號(hào)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(jī)在世界上第一次成功實(shí)現(xiàn)倒退返回。

盾構(gòu)機(jī)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(zhǎng)100多米、重約800噸的長(zhǎng)筒身子里，有馬達(dá)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(jī)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(hào)線海底隧道施工方中鐵一局城軌公司想出了一個(gè)辦法，將盾構(gòu)機(jī)拆掉運(yùn)出來。他們請(qǐng)專家研究出在不轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)用火焰切割，相當(dāng)危險(xiǎn)。為此拆機(jī)“三班倒”，隧道內(nèi)每間隔100米還增設(shè)一臺(tái)大功率電扇通風(fēng)。拆機(jī)前的詳細(xì)交底，動(dòng)火作業(yè)前的消防設(shè)施準(zhǔn)備，動(dòng)火中的洞內(nèi)氣體實(shí)時(shí)檢測(cè)。并定制專用重載板車，解決了一次運(yùn)送65噸部件的難題。

最終，拆機(jī)工期不到一個(gè)月，盾構(gòu)機(jī)14000多個(gè)零部件都安全拆除，裝箱運(yùn)回倉(cāng)庫(kù)。盾構(gòu)機(jī)的殼體，留在隧道里做內(nèi)壁。這創(chuàng)造了又一個(gè)中國(guó)工程之最。

4 人造藍(lán)寶石 450公斤破紀(jì)錄

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

人造藍(lán)寶石是高科技生產(chǎn)領(lǐng)域的重要原材料。小到智能手機(jī)攝像頭、觸摸屏、LED燈，大到國(guó)之重器、高強(qiáng)度激光、天文觀測(cè)系統(tǒng)光學(xué)元器件，應(yīng)用日益廣泛。

新世紀(jì)以來，我國(guó)藍(lán)寶石生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝仍然很大程度依賴進(jìn)口，特別是我國(guó)的生產(chǎn)能力和產(chǎn)品尺寸還不能滿足國(guó)防科技、國(guó)之重器的全面需求。

此顆人造藍(lán)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(diǎn)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(zhǎng)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(gè)單晶晶碇。

這一過程漫長(zhǎng)，對(duì)爐溫控制、生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)應(yīng)用有極苛刻的要求。生產(chǎn)450公斤級(jí)產(chǎn)品，與生產(chǎn)200公斤級(jí)、350公斤級(jí)產(chǎn)品，其技術(shù)要求不在一個(gè)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(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備、熱產(chǎn)設(shè)計(jì)理論和微觀工藝應(yīng)用，從原材料選取、加工、生產(chǎn)，全部是中國(guó)制造?！?/p>

5 最薄玻璃 厚度僅0.12毫米

繼0.15毫米之后，中國(guó)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(jì)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(jī)、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(huì)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(jì)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(cè)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(tuán)隊(duì)攻關(guān)2年。在熔化工藝、成型工藝、切割工藝、檢驗(yàn)包裝和裝備技術(shù)等方面，突破1000多項(xiàng)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(guó)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(jìn)口，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)超薄玻璃技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先，競(jìng)爭(zhēng)力很強(qiáng)。顯示屏價(jià)格降下來，電子產(chǎn)品相對(duì)更實(shí)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(fù)用是馬斯克SpaceX的重要標(biāo)簽。其實(shí)，我國(guó)也回收過3.5噸的神舟飛船載人艙。11月，航天五院508所驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)，可將我國(guó)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(jī)外掛投放7噸級(jí)模型的方式，成功進(jìn)行我國(guó)首次大型群傘系統(tǒng)及大載重著陸緩沖系統(tǒng)空投試驗(yàn)，多項(xiàng)大型航天器回收領(lǐng)域主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

回收航天器，再入返回時(shí)的初級(jí)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(jì)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(jí)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(duì)著陸緩沖系統(tǒng)要求甚高。為此，508所科研團(tuán)隊(duì)攻克了多氣囊組合緩沖動(dòng)力學(xué)建模與仿真等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)；著陸緩沖過程時(shí)間極短，又研制了高靈敏度著陸敏感器，解決了快速響應(yīng)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(jī) “雕”出精細(xì)線條

11月29日，中科院研制的“超分辨光刻裝備”通過驗(yàn)收。這個(gè)世界上首臺(tái)用紫外光源實(shí)現(xiàn)了22納米分辨率的光刻機(jī)，意義在于用便宜的光源實(shí)現(xiàn)較高的分辨率，用于一些特殊制造場(chǎng)景。光刻機(jī)不光是制造芯片用，一張平面材料想刻出繁復(fù)圖案，都可以用光刻。光刻機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)投影儀，光就是一把雕刻刀，在感光平板上“雕”出精細(xì)的線條圖案。

使用深紫外光源的光刻機(jī)是主流，缺點(diǎn)是太昂貴；荷蘭ASML壟斷的極紫外光源的光刻機(jī)，更是貴到令人發(fā)指，一臺(tái)3000萬元，還要在真空下使用。中科院研制的22納米光刻機(jī)采用紫外光汞燈，整機(jī)價(jià)格在百萬元級(jí)到千萬元級(jí)，加工能力則介于深紫外級(jí)和極紫外級(jí)之間，令人振奮。

中科院研制的這種光刻機(jī)擅長(zhǎng)加工包括大口徑薄膜鏡在內(nèi)的一系列納米功能器件，對(duì)中國(guó)的遙感成像、生化痕量測(cè)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(xué)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(zhǎng)幾十納米的電磁波，可用來光刻。

8 、細(xì)粒度圖像識(shí)別 “看”一眼就結(jié)賬

在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)視覺研究中，圖像識(shí)別的目標(biāo)對(duì)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(yīng)該都有這樣的經(jīng)歷：逛街時(shí)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(xì)粒度級(jí)別圖像識(shí)別技術(shù)便能準(zhǔn)確分辨出哪怕細(xì)微差異的目標(biāo)對(duì)象，解決此類難題。

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

曠視科技Face++南京研究院負(fù)責(zé)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(shí)別菜品近千張的圖像信息，之后針對(duì)諸多菜品間細(xì)微的差異設(shè)計(jì)基于深度學(xué)習(xí)的細(xì)粒度級(jí)別圖像識(shí)別算法。該算法除常規(guī)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊對(duì)整盤菜品獲取全局性的判別信息外，還包含一個(gè)‘注意力’模塊，可自動(dòng)‘聚焦’到差異細(xì)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(jìn)行細(xì)粒度級(jí)別的菜品識(shí)別?！边@樣，整張細(xì)粒度圖像識(shí)別特征既包含了菜品級(jí)別特征，又包含了更強(qiáng)判別性的局部特征，使得分類準(zhǔn)確無誤。相比傳統(tǒng)標(biāo)簽結(jié)算的方式，細(xì)粒度圖像識(shí)別技術(shù)大大降低了系統(tǒng)及人力成本，同時(shí)大幅提升了顧客點(diǎn)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(duì)我國(guó)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(dòng)化生產(chǎn)線在內(nèi)蒙古精誠(chéng)絕緣子有限公司的廠區(qū)內(nèi)正式啟動(dòng)調(diào)試。

該公司用劣質(zhì)黏土做出比優(yōu)質(zhì)黏土密實(shí)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(tuán)隊(duì)多年來對(duì)伴生黏土進(jìn)行數(shù)百次顆粒成分分析和配方實(shí)驗(yàn)，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(shí)產(chǎn)權(quán)的“絕密配方”，實(shí)現(xiàn)每款特高壓絕緣子能服役50年的目標(biāo)。

不僅如此，通過近十年來20多項(xiàng)技術(shù)集成創(chuàng)新，世界瓷絕緣子行業(yè)夢(mèng)寐以求的自動(dòng)化生產(chǎn)也實(shí)現(xiàn)了。全球首條自動(dòng)化生產(chǎn)線在精誠(chéng)絕緣子的車間誕生。生產(chǎn)線上的輥道窯好似傳送帶，輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)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(cè)，再到最后包裝的全自動(dòng)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(duì)30個(gè)省區(qū)市70個(gè)城市的黑臭水體整治開展了現(xiàn)場(chǎng)督查。督察期間如果下雨，黑臭水體會(huì)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(xué)環(huán)境學(xué)院吳靜課題組自主研發(fā)的這款水質(zhì)“指紋”識(shí)別器，擔(dān)當(dāng)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(yè)的廢水中，都包含自身獨(dú)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(kù)，類似于警察的疑犯指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，把需要檢測(cè)的水質(zhì)指紋與水紋庫(kù)比對(duì)，就能發(fā)現(xiàn)“嫌疑犯”了。

一旦水紋超過預(yù)警限值，24小時(shí)監(jiān)測(cè)儀器會(huì)自動(dòng)預(yù)警。

此外，儀器會(huì)自動(dòng)保存水質(zhì)指紋10年以上，發(fā)現(xiàn)問題，自動(dòng)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(bǔ)充，形成組合拳，將原先數(shù)周的排查時(shí)間縮短為半小時(shí)左右，且證據(jù)確鑿，監(jiān)管指向清晰。