2018年國內(nèi)十大(dà)技(jì)術(shù)突破：22納米光刻機、大(dà)型航天器(qì)回收

盤點這一年的核心技(jì)術(shù)：22納米光刻機、450公斤人(rén)造藍(lán)寶石、0.12毫米玻璃、大(dà)型航天器(qì)回收、盾構機“棄殼返回”、遠距離虹膜識别……哪一個(gè)不奪人(rén)眼球！

1 智能水(shuǐ)刀 削鐵(tiě)斷金

10月份的第四屆軍民融合發展高(gāo)技(jì)術(shù)裝備成果展上(shàng)，一把神奇的水(shuǐ)刀吸引觀衆駐足。它以水(shuǐ)為(wèi)刀刃切割各種材料，分離海綿、鑿穿岩石、削斷鋼鐵(tiě)，完勝激光切割。其全名五軸五聯動智能水(shuǐ)刀，由上(shàng)海獅邁科技(jì)有(yǒu)限公司（以下簡稱獅邁科技(jì)）研發生(shēng)産，完全具備自主知識産權。

水(shuǐ)刀原理(lǐ)和(hé)孩子們玩的水(shuǐ)槍很(hěn)像。給普通(tōng)自來(lái)水(shuǐ)加壓到4000個(gè)大(dà)氣壓以上(shàng)，迫使加壓後的水(shuǐ)從一個(gè)小(xiǎo)噴嘴噴射出來(lái)，形成高(gāo)速射流，在這股高(gāo)速射流裏加入鋒利破碎的小(xiǎo)顆粒，形成高(gāo)速磨料射流。

水(shuǐ)刀能量巨大(dà)，高(gāo)壓水(shuǐ)高(gāo)速射流以3倍音(yīn)速打向切割對象，實現切割。相比“前輩”激光切割，水(shuǐ)刀切割過程是一個(gè)高(gāo)速磨削加快速冷卻的過程，沒有(yǒu)熱損傷和(hé)熱變形，沒有(yǒu)煙霧和(hé)粉塵，綠色環保。簡單說，激光能切不能切的，水(shuǐ)刀都能切。波音(yīn)公司、空(kōng)客公司都大(dà)量使用智能水(shuǐ)刀進行(xíng)機械加工。

水(shuǐ)刀、激光和(hé)等離子切割實現精密切割是難點。獅邁科技(jì)經3年研發了一套獨特高(gāo)品質控制(zhì)系統。通(tōng)過采用數(shù)學模型精準預測射流行(xíng)走路徑上(shàng)每一點的誤差，實現對射流每一步行(xíng)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)精确的控制(zhì)，在切割效率最大(dà)化的情況下達到自動消除誤差的高(gāo)精度目标。

2 虹膜識别 1.2米遠兩秒(miǎo)搞定

虹膜識别是除DNA以外最可(kě)靠的生(shēng)物識别技(jì)術(shù)，唯一、防僞。最開(kāi)始虹膜識别要像用望遠鏡一樣把眼睛貼在設備上(shàng)，後來(lái)擴大(dà)到設備半米內(nèi)識别。11月份，虹星科技(jì)正式投産“駕駛員生(shēng)物特征識别一體(tǐ)機”，将虹膜識别距離拓展到1.2米，掃一眼即可(kě)，無需過多(duō)配合。

每個(gè)人(rén)的虹膜都獨一無二。紅外光條件下，可(kě)呈現豐富紋理(lǐ)特性，穩定特征點200多(duō)個(gè)，刷眼後儀器(qì)提取出具備高(gāo)區(qū)分力的特征碼，與數(shù)據庫進行(xíng)比對，這一過程稱為(wèi)虹膜識别。虹膜識别的優勢主要體(tǐ)現在龐大(dà)數(shù)據庫中精準找人(rén)。在監控視(shì)頻中準确找一個(gè)人(rén)，1萬的人(rén)群基數(shù)用人(rén)臉識别，10萬人(rén)以下用指紋識别，100萬個(gè)人(rén)應當用虹膜識别。

虹膜僅約1平方厘米，人(rén)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(lǐ)；而且人(rén)本身的晃動和(hé)眨眼，會(huì)讓成像存在運動模糊、眼皮遮擋等一系列問題。

虹星科技(jì)成像階段使用千萬像素以上(shàng)的圖像傳感器(qì)，保證足夠的虹膜分辨率；精心計(jì)算(suàn)近紅外光源的角度和(hé)強度，在不傷害人(rén)眼的前提下照亮虹膜紋理(lǐ)；将智能算(suàn)法移到成像設備內(nèi)，使成像與計(jì)算(suàn)協同作(zuò)業；快速圖像質量判斷算(suàn)法，丢棄低(dī)質量圖像，專注識别高(gāo)質量虹膜圖像；優化算(suàn)法，一秒(miǎo)處理(lǐ)上(shàng)百張千萬像素的虹膜圖像。最終做(zuò)到了1.2米距離內(nèi)2秒(miǎo)虹膜識别。

3 海底盾構機 實現“功成身退”

打海底隧道(dào)的盾構機，隻能掘進不能後退，價值幾千萬元的設備往往“一去不複返”。8月20日，廈門(mén)地鐵(tiě)3号線海底隧道(dào)中，伴随着最後一塊刀盤被拆下，海底的盾構機在世界上(shàng)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(hé)石頭，長100多(duō)米、重約800噸的長筒身子裏，有(yǒu)馬達和(hé)泥漿循環管道(dào)。它身後的新空(kōng)間(jiān)拼貼上(shàng)弧形的水(shuǐ)泥管片，隧道(dào)就此成型。但(dàn)是，盾構法施工使身後洞徑變小(xiǎo)，所以盾構機無法後退，通(tōng)常永久封存在隧道(dào)旁的死胡同裏。

然而廈門(mén)地鐵(tiě)3号線海底隧道(dào)施工方中鐵(tiě)一局城軌公司想出了一個(gè)辦法，将盾構機拆掉運出來(lái)。他們請(qǐng)專家(jiā)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(gāo)溫，拆機用火(huǒ)焰切割，相當危險。為(wèi)此拆機“三班倒”，隧道(dào)內(nèi)每間(jiān)隔100米還(hái)增設一台大(dà)功率電(diàn)扇通(tōng)風。拆機前的詳細交底，動火(huǒ)作(zuò)業前的消防設施準備，動火(huǒ)中的洞內(nèi)氣體(tǐ)實時(shí)檢測。并定制(zhì)專用重載闆車(chē)，解決了一次運送65噸部件的難題。

最終，拆機工期不到一個(gè)月，盾構機14000多(duō)個(gè)零部件都安全拆除，裝箱運回倉庫。盾構機的殼體(tǐ)，留在隧道(dào)裏做(zuò)內(nèi)壁。這創造了又一個(gè)中國工程之最。

4 人(rén)造藍(lán)寶石 450公斤破紀錄

2018年初，450公斤級人(rén)造藍(lán)寶石在我國誕生(shēng)。拿(ná)下全球重量級别最高(gāo)、單體(tǐ)最大(dà)的人(rén)造藍(lán)寶石晶體(tǐ)“桂冠”。将2017年俄羅斯保持的350公斤級世界紀錄提高(gāo)了100公斤。

人(rén)造藍(lán)寶石是高(gāo)科技(jì)生(shēng)産領域的重要原材料。小(xiǎo)到智能手機攝像頭、觸摸屏、LED燈，大(dà)到國之重器(qì)、高(gāo)強度激光、天文觀測系統光學元器(qì)件，應用日益廣泛。

新世紀以來(lái)，我國藍(lán)寶石生(shēng)産設備和(hé)生(shēng)産工藝仍然很(hěn)大(dà)程度依賴進口，特别是我國的生(shēng)産能力和(hé)産品尺寸還(hái)不能滿足國防科技(jì)、國之重器(qì)的全面需求。

此顆人(rén)造藍(lán)寶石基于世界主流的泡生(shēng)法生(shēng)産技(jì)術(shù)。原理(lǐ)是先将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(shàng)開(kāi)始生(shēng)長和(hé)晶種相同晶體(tǐ)結構的單晶，晶種以極緩慢的速度往上(shàng)拉升，最後凝固成一整個(gè)單晶晶碇。

這一過程漫長，對爐溫控制(zhì)、生(shēng)産系統協調應用有(yǒu)極苛刻的要求。生(shēng)産450公斤級産品，與生(shēng)産200公斤級、350公斤級産品，其技(jì)術(shù)要求不在一個(gè)層面，有(yǒu)質的區(qū)别。該公司總經理(lǐ)張俊說：“我們的核心技(jì)術(shù)是自主研發的自動化生(shēng)産設備、熱産設計(jì)理(lǐ)論和(hé)微觀工藝應用，從原材料選取、加工、生(shēng)産，全部是中國制(zhì)造。”

5 最薄玻璃 厚度僅0.12毫米

繼0.15毫米之後，中國技(jì)術(shù)人(rén)員追求極緻，拉出0.12毫米的超薄電(diàn)子觸控玻璃，又創浮法技(jì)術(shù)工業化生(shēng)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(yǒu)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(jiān)，可(kě)用來(lái)做(zuò)手機、電(diàn)腦(nǎo)、電(diàn)視(shì)顯示屏基礎材料。玻璃越薄，透光性、柔韌性越好，越容易碎。但(dàn)最新研制(zhì)的0.12毫米超薄玻璃，被彎曲成環狀也不會(huì)折斷。

玻璃厚度每下降0.1毫米，增加的制(zhì)作(zuò)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(dà)熱工設備的設計(jì)制(zhì)造和(hé)玻璃配方四大(dà)難題，開(kāi)發了玻璃冷端的切裁、輸送以及缺陷在線檢測等一系列技(jì)術(shù)手段。

從0.15毫米到0.12毫米，為(wèi)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(hé)裝備技(jì)術(shù)等方面，突破1000多(duō)項技(jì)術(shù)瓶頸後，世界最薄的0.12毫米浮法玻璃終于誕生(shēng)。幾年前國內(nèi)上(shàng)百條顯示面闆生(shēng)産線的玻璃和(hé)設備完全依賴進口，現在國內(nèi)超薄玻璃技(jì)術(shù)國際領先，競争力很(hěn)強。顯示屏價格降下來(lái)，電(diàn)子産品相對更實惠了。目前該公司已經開(kāi)始着手研發0.1毫米超薄玻璃。

6 航天器(qì)回收 重量推至7噸以上(shàng)

火(huǒ)箭回收和(hé)複用是馬斯克SpaceX的重要标簽。其實，我國也回收過3.5噸的神舟飛船(chuán)載人(rén)艙。11月，航天五院508所驗證關鍵技(jì)術(shù)，可(kě)将我國航天器(qì)回收重量推至7噸以上(shàng)。這與508所成功研制(zhì)出大(dà)型群傘系統和(hé)大(dà)載重着陸緩沖系統密不可(kě)分。該所采用直升機外挂投放7噸級模型的方式，成功進行(xíng)我國首次大(dà)型群傘系統及大(dà)載重着陸緩沖系統空(kōng)投試驗，多(duō)項大(dà)型航天器(qì)回收領域主要技(jì)術(shù)指标達到國際先進水(shuǐ)平。

回收航天器(qì)，再入返回時(shí)的初級減速主要靠減速傘。有(yǒu)别于神舟飛船(chuán)的單傘系統，全新研制(zhì)的減速傘是群傘系統，由2頂減速傘、3頂主傘組成。減速傘的承載能力、傘型設計(jì)大(dà)幅優化；主傘則保證了各傘之間(jiān)充氣的一緻同步。該群傘系統多(duō)級收口與展開(kāi)，有(yǒu)效降低(dī)了開(kāi)傘載荷。

着陸回收階段，大(dà)載重航天器(qì)無損着陸回收對着陸緩沖系統要求甚高(gāo)。為(wèi)此，508所科研團隊攻克了多(duō)氣囊組合緩沖動力學建模與仿真等多(duō)項關鍵技(jì)術(shù)；着陸緩沖過程時(shí)間(jiān)極短(duǎn)，又研制(zhì)了高(gāo)靈敏度着陸敏感器(qì)，解決了快速響應着陸緩沖控制(zhì)問題。最終保證系統可(kě)靠工作(zuò)，返回艙着陸穩定。

7 、22納米光刻機 “雕”出精細線條

11月29日，中科院研制(zhì)的“超分辨光刻裝備”通(tōng)過驗收。這個(gè)世界上(shàng)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(gāo)的分辨率，用于一些(xiē)特殊制(zhì)造場(chǎng)景。光刻機不光是制(zhì)造芯片用，一張平面材料想刻出繁複圖案，都可(kě)以用光刻。光刻機相當于一台投影(yǐng)儀，光就是一把雕刻刀，在感光平闆上(shàng)“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(rén)發指，一台3000萬元，還(hái)要在真空(kōng)下使用。中科院研制(zhì)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(hé)極紫外級之間(jiān)，令人(rén)振奮。

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

中科院光電(diàn)所的科學家(jiā)楊勇這樣解釋其原理(lǐ)，拿(ná)一塊金屬片和(hé)非金屬片親密接觸，界面上(shàng)有(yǒu)一些(xiē)亂蹦的電(diàn)子；光投影(yǐng)在金屬上(shàng)，這些(xiē)電(diàn)子就有(yǒu)序地震蕩，産生(shēng)波長幾十納米的電(diàn)磁波，可(kě)用來(lái)光刻。

8 、細粒度圖像識别 “看”一眼就結賬

在傳統計(jì)算(suàn)機視(shì)覺研究中，圖像識别的目标對象隸屬類别通(tōng)常是諸如“狗”“車(chē)”和(hé)“鳥”等傳統意義上(shàng)的類别分類。但(dàn)大(dà)家(jiā)應該都有(yǒu)這樣的經曆：逛街(jiē)時(shí)看到路人(rén)的萌犬可(kě)愛(ài)至極，可(kě)僅知是“犬”殊不知其具體(tǐ)品種。然而，細粒度級别圖像識别技(jì)術(shù)便能準确分辨出哪怕細微差異的目标對象，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(kě)以近100%識别率，精确識别幾十種菜品，該系統在具體(tǐ)運行(xíng)時(shí)，食客僅需将選好的菜品放在識别區(qū)，系統便會(huì)立刻顯示出菜品清單和(hé)價格，即可(kě)進行(xíng)結算(suàn)。

曠視(shì)科技(jì)Face++南京研究院負責人(rén)魏秀參博士表示：“首先，我們通(tōng)過數(shù)據采集收集到待識别菜品近千張的圖像信息，之後針對諸多(duō)菜品間(jiān)細微的差異設計(jì)基于深度學習的細粒度級别圖像識别算(suàn)法。該算(suàn)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别信息外，還(hái)包含一個(gè)‘注意力’模塊，可(kě)自動‘聚焦’到差異細微菜品的局部圖像區(qū)域。這些(xiē)局部區(qū)域可(kě)有(yǒu)效輔助算(suàn)法進行(xíng)細粒度級别的菜品識别。”這樣，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(de)分類準确無誤。相比傳統标簽結算(suàn)的方式，細粒度圖像識别技(jì)術(shù)大(dà)大(dà)降低(dī)了系統及人(rén)力成本，同時(shí)大(dà)幅提升了顧客點餐結賬的效率。

9 、特高(gāo)壓絕緣子 劣質黏土造“瓷器(qì)活”

變電(diàn)站(zhàn)和(hé)高(gāo)壓輸電(diàn)線路的基礎設施中，有(yǒu)一種重十幾公斤到幾十公斤的瓷瓶，名為(wèi)絕緣子，異常重要卻常被忽略。針對我國特高(gāo)壓電(diàn)網的使用要求，承受百萬伏高(gāo)壓和(hé)數(shù)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(shēng)産線在內(nèi)蒙古精誠絕緣子有(yǒu)限公司的廠區(qū)內(nèi)正式啓動調試。

該公司用劣質黏土做(zuò)出比優質黏土密實度更高(gāo)的産品，頂住百萬伏特，在行(xíng)業內(nèi)是一次技(jì)術(shù)革命。

為(wèi)此，公司團隊多(duō)年來(lái)對伴生(shēng)黏土進行(xíng)數(shù)百次顆粒成分分析和(hé)配方實驗，将伴生(shēng)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(gāo)壓絕緣子能服役50年的目标。

不僅如此，通(tōng)過近十年來(lái)20多(duō)項技(jì)術(shù)集成創新，世界瓷絕緣子行(xíng)業夢寐以求的自動化生(shēng)産也實現了。全球首條自動化生(shēng)産線在精誠絕緣子的車(chē)間(jiān)誕生(shēng)。生(shēng)産線上(shàng)的輥道(dào)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(zhì)作(zuò)、上(shàng)釉、烤制(zhì)、檢測，再到最後包裝的全自動化生(shēng)産。

10 、水(shuǐ)紋溯源 揪出排污企業

今年，生(shēng)态環境部對30個(gè)省區(qū)市70個(gè)城市的黑(hēi)臭水(shuǐ)體(tǐ)整治開(kāi)展了現場(chǎng)督查。督察期間(jiān)如果下雨，黑(hēi)臭水(shuǐ)體(tǐ)會(huì)冒出來(lái)，不下雨黑(hēi)臭水(shuǐ)體(tǐ)藏得(de)很(hěn)好，違法排污問題就被掩蓋了。

清華大(dà)學環境學院吳靜課題組自主研發的這款水(shuǐ)質“指紋”識别器(qì)，擔當了我國治污界的福爾摩斯，可(kě)依靠水(shuǐ)紋揪出污染“嫌疑犯”。

每家(jiā)企業的廢水(shuǐ)中，都包含自身獨特信息，主要是殘留污染物，這就是廢水(shuǐ)的水(shuǐ)紋。每種物質發出的熒光都不一樣，物質濃度越高(gāo)，在圖譜中就越突出，而采集水(shuǐ)質“指紋”就是采集廢水(shuǐ)的熒光圖譜。廢水(shuǐ)水(shuǐ)紋庫，類似于警察的疑犯指紋數(shù)據庫，把需要檢測的水(shuǐ)質指紋與水(shuǐ)紋庫比對，就能發現“嫌疑犯”了。

一旦水(shuǐ)紋超過預警限值，24小(xiǎo)時(shí)監測儀器(qì)會(huì)自動預警。

此外，儀器(qì)會(huì)自動保存水(shuǐ)質指紋10年以上(shàng)，發現問題，自動留取異常水(shuǐ)紋作(zuò)為(wèi)追查證據。還(hái)可(kě)與其他類型的污染溯源技(jì)術(shù)相互補充，形成組合拳，将原先數(shù)周的排查時(shí)間(jiān)縮短(duǎn)為(wèi)半小(xiǎo)時(shí)左右，且證據确鑿，監管指向清晰。