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這一年,國産技術不斷突破
2018-12-29 10:40:58 來源: 科技日報
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  盤點這一年的核心技術: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”、遠距離虹膜識別……哪一個不奪人眼球!

  2018年,高新技術成果在各行各業開花結果,在提高産業效能的同時也為人們的生活創造了更多便利。科技創新主體不約而同向著“自主掌握核心技術,打破國外壟斷”的目標前行。

  1 智能水刀 削鐵斷金

  10月份的第四屆軍民融合發展高技術裝備成果展上,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、鑿穿岩石、削斷鋼鐵,完勝激光切割。其全名五軸五聯動智能水刀,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,在這股高速射流裏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,綠色環保。簡單説,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精密切割是難點。獅邁科技經3年研發了一套獨特高品質控制係統。通過採用數學模型精準預測射流行走路徑上每一點的誤差,實現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,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備上,後來擴大到設備半米內識別。11月份,虹星科技正式投産“駕駛員生物特徵識別一體機”,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,可呈現豐富紋理特性,穩定特徵點200多個,刷眼後儀器提取出具備高區分力的特徵碼,與數據庫進行比對,這一過程稱為虹膜識別。虹膜識別的優勢主要體現在龐大數據庫中精準找人。在監控視頻中準確找一個人,1萬的人群基數用人臉識別,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,難以採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、眼皮遮擋等一係列問題。

  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備內,使成像與計算協同作業;快速圖像質量判斷算法,丟棄低質量圖像,專注識別高質量虹膜圖像;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米距離內2秒虹膜識別。

  3 海底盾構機 實現“功成身退”

  打海底隧道的盾構機,只能掘進不能後退,價值幾千萬元的設備往往“一去不復返”。8月20日,廈門地鐵3號線海底隧道中,伴隨著最後一塊刀盤被拆下,海底的盾構機在世界上第一次成功實現倒退返回。

  盾構機是打洞能手,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100多米、重約800噸的長筒身子裏,有馬達和泥漿循環管道。它身後的新空間拼貼上弧形的水泥管片,隧道就此成型。但是,盾構法施工使身後洞徑變小,所以盾構機無法後退,通常永久封存在隧道旁的死胡同裏。

  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40℃高溫,拆機用火焰切割,相當危險。為此拆機“三班倒”,隧道內每間隔100米還增設一臺大功率電扇通風。拆機前的詳細交底,動火作業前的消防設施準備,動火中的洞內氣體實時檢測。並定制專用重載板車,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,盾構機14000多個零部件都安全拆除,裝箱運回倉庫。盾構機的殼體,留在隧道裏做內壁。這創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産領域的重要原材料。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、天文觀測係統光學元器件,應用日益廣泛。

  新世紀以來,我國藍寶石生産設備和生産工藝仍然很大程度依賴進口,特別是我國的生産能力和産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産技術。原理是先將氧化鋁原料加熱至熔點後形成熔湯,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構的單晶,晶種以極緩慢的速度往上拉升,最後凝固成一整個單晶晶碇。

  這一過程漫長,對爐溫控制、生産係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,有質的區別。該公司總經理張俊説:“我們的核心技術是自主研發的自動化生産設備、熱産設計理論和微觀工藝應用,從原材料選取、加工、生産,全部是中國制造。”

  5 最薄玻璃 厚度僅0.12毫米

  繼0.15毫米之後,中國技術人員追求極致,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,越容易碎。但最新研制的0.12毫米超薄玻璃,被彎曲成環狀也不會折斷。

  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,開發了玻璃冷端的切裁、輸送以及缺陷在線檢測等一係列技術手段。

  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2年。在熔化工藝、成型工藝、切割工藝、檢驗包裝和裝備技術等方面,突破1000多項技術瓶頸後,世界最薄的0.12毫米浮法玻璃終于誕生。幾年前國內上百條顯示面板生産線的玻璃和設備完全依賴進口,現在國內超薄玻璃技術國際領先,競爭力很強。顯示屏價格降下來,電子産品相對更實惠了。目前該公司已經開始著手研發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所驗證關鍵技術,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係統和大載重著陸緩衝係統密不可分。該所採用直升機外挂投放7噸級模型的方式,成功進行我國首次大型群傘係統及大載重著陸緩衝係統空投試驗,多項大型航天器回收領域主要技術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係統,全新研制的減速傘是群傘係統,由2頂減速傘、3頂主傘組成。減速傘的承載能力、傘型設計大幅優化;主傘則保證了各傘之間充氣的一致同步。該群傘係統多級收口與展開,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衝係統要求甚高。為此,508所科研團隊攻克了多氣囊組合緩衝動力學建模與倣真等多項關鍵技術;著陸緩衝過程時間極短,又研制了高靈敏度著陸敏感器,解決了快速響應著陸緩衝控制問題。最終保證係統可靠工作,返回艙著陸穩定。

  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”通過驗收。這個世界上首臺用紫外光源實現了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納米光刻機採用紫外光汞燈,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的一係列納米功能器件,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,産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”一眼就結賬

  在傳統計算機視覺研究中,圖像識別的目標對象隸屬類別通常是諸如“狗”“車”和“鳥”等傳統意義上的類別分類。但大家應該都有這樣的經歷: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。

  現落地于南京快餐廳的細粒度圖像識別智慧收銀係統,可以近100%識別率,精確識別幾十種菜品,該係統在具體運行時,食客僅需將選好的菜品放在識別區,係統便會立刻顯示出菜品清單和價格,即可進行結算。

  曠視科技Face++南京研究院負責人魏秀參博士表示:“首先,我們通過數據採集收集到待識別菜品近千張的圖像信息,之後針對諸多菜品間細微的差異設計基于深度學習的細粒度級別圖像識別算法。該算法除常規的卷積神經網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域。這些局部區域可有效輔助算法進行細粒度級別的菜品識別。”這樣,整張細粒度圖像識別特徵既包含了菜品級別特徵,又包含了更強判別性的局部特徵,使得分類準確無誤。相比傳統標簽結算的方式,細粒度圖像識別技術大大降低了係統及人力成本,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。12月份,全球首條瓷絕緣子自動化生産線在內蒙古精誠絕緣子有限公司的廠區內正式啟動調試。

  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,在行業內是一次技術革命。

  為此,公司團隊多年來對伴生黏土進行數百次顆粒成分分析和配方實驗,將伴生非優質黏土佔産品原料的比例確定在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服役50年的目標。

  不僅如此,通過近十年來20多項技術集成創新,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。生産線上的輥道窯好似傳送帶,輥子轉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,再到最後包裝的全自動化生産。

  10 水紋溯源 揪出排污企業

  今年,生態環境部對30個省區市70個城市的黑臭水體整治開展了現場督查。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,違法排污問題就被掩蓋了。

  清華大學環境學院吳靜課題組自主研發的這款水質“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。每種物質發出的熒光都不一樣,物質濃度越高,在圖譜中就越突出,而採集水質“指紋”就是採集廢水的熒光圖譜。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,就能發現“嫌疑犯”了。

  一旦水紋超過預警限值,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,發現問題,自動留取異常水紋作為追查證據。還可與其他類型的污染溯源技術相互補充,形成組合拳,將原先數周的排查時間縮短為半小時左右,且證據確鑿,監管指向清晰。(記者 唐芳)

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