工博會觀察 | 將「卡脖子」清單變成科研清單

9月15日至19日，第22屆中國國際工業博覽會（下稱「第22屆工博會」）在上海舉行。

在本屆工博會上，中國科學院（下稱「中科院「）成為獲得獎項最多的單位。在參展的78項創新成果中，獲獎展品就有四件。

其中，「北鬥三號中科院導航衛星」獲工博會「特別大獎」，「海鬥一號全海深自主遙控潛水器」、「人體肺部氣體磁共振成像系統」兩個成果獲工博會「大獎」。

此外，「量子鑽石原子力顯微鏡」獲「創新引領獎」。

上天、入海、服務民生，幾件獲獎展品均已覆蓋。

北鬥三號，因「自主」而「特別」

自本屆工博會首日十項大獎公布之後，中科院展區成了觀眾最多的展區之一，因為本屆工博會最特殊的獎項「特別大獎」頒發給了一顆名叫「北鬥」的衛星，這顆「北鬥三號中科院導航衛星」正是中國科學院微小衛星創新研究院的創新成果。

「北鬥三號」模型

突破基於相控陣的Ka星間鏈路技術，實現「一星通、星星通」，解決了制約北鬥全球組網的瓶頸問題；突破高精度時頻無縫切換技術，解決系統運行連續性難題，為實現全球系統信號的高連續性奠定基礎；突破衛星自主診斷恢復技術，實現在沒有地面支持的情況下衛星進行自主健康診斷、故障隔離和恢復功能；這些是「北鬥三號」在技術上最重要的三項突破。

而工博會獲獎展品中高手雲集，能摘得「特別大獎」的「北鬥三號」有何「特別」之處？

「我們常說做科研要對標國際水平，北鬥三號衛星首先體現了我國科技領域創新驅動，真正從『跟跑』到『比肩超越』的跨越式發展，在北鬥三號衛星上實現了關鍵核心技術完全自主可控，核心器部件100%國產化，這是了不起的成績。」中科院北鬥衛星系統副總指揮陳志峰向《國際金融報》記者表示。

「至於為何將『特別大獎』頒給北鬥，我想評委有幾點考慮：第一，『北鬥三號』作為大國重器，提供全球導航服務，讓我們在國家安全的領域不再『受制於人』，具有重大的戰略意義；第二，『北鬥三號』建成開通，提供穩定的定位、測速、授時和特有的短報文服務，對我國軍事應用和國民經濟建設兩方面都起到重要的作用；第三，『北鬥三號』建成，能夠帶動一大批導航相關產業和應用的迅速發展，在『後疫情時代』、5G建設、新基建方面都能發揮積極作用。」陳志峰說。

記者還了解到一個關於「北鬥」的故事。曾經的「北鬥二號」中，部分高精度原子鐘是從歐洲進口的，但是計劃進度和交付性能指標都存在風險和不確定性。由於高精度原子鐘是導航衛星的心臟，核心技術不能受制於人，必須自主可控，中科院上海天文臺突破了多項關鍵技術，目前在「北鬥三號」上使用的高精度原子鐘已經達到六百萬年差一秒的精度，具備世界一流的水準。

在抗擊新冠疫情初期，武漢急需建設火神山、雷神山醫院，在選址過程中，北鬥衛星導航系統在測繪測量方面發揮了重要作用，以最快速度提供了精準的數據。這兩所醫院建設「神速」，其中有北鬥衛星一份功勞。

此外，「北鬥三號」擁有更強的適應能力和可擴展能力，通過獨創的「功能鏈」設計理念達到大幅降低成本的效果，並首次在導航衛星上採用大功率氮化鎵固態放大器，有效提高了信號質量。

科研無止盡，沒有最好，只有更好，這才是科學家們的追求。

目前的導航定位服務還不能說是「盡善盡美」。舉例來說，在建築物遮擋比較密集的室內，還存在收不到導航信號的情況，就不能準確地使用電子地圖App來導航定位。

陳志峰表示，「未來進一步提高北鬥衛星在各種複雜特殊環境下定位的準確性，向室內，水下和深層空間擴展，面向『北鬥+』的時代，建設更先進和更智能的綜合PNT體系，這是我們需要繼續努力的方向。」

海鬥一號，創造「最深」紀錄

除了「北鬥」衛星，中科院展區第二「吸睛」的展品就屬「海鬥一號」潛水器。

這款「海鬥一號全海深自主遙控潛水器」由中國科學院瀋陽自動化研究所研發，顏色鮮豔，外形呈一條「胖魚」形態，萌感十足。

其刷新了我國潛水器「最深」下潛紀錄，最大下潛作業深度為10907米。

中科院瀋陽自動化所工程師王福利告訴《國際金融報》記者，「海鬥一號」4次抵達深度超過萬米的全球最深海區深淵底部，完成高清視頻拍攝和機械手作業。目前，所研發潛水器下潛作業深度能達到一萬米的國家屈指可數，海鬥一號更是填補了當前國際上作業型無人潛水器的空白。

同時，「海鬥一號」是國際上首臺具備自主遙控功能的探測作業一體化、萬米無人潛水器，具有完全自主智慧財產權。

海鬥一號首次實現我國潛水器萬米下潛作業，是我國海洋技術領域的一個裡程碑，標誌著我國無人潛水器技術跨入了一個可覆蓋全海深探測與作業的新時代。」王福利介紹道。

「海鬥一號」的「嘴」部安裝有機械臂，可進行水下無人作業

目前，我國在科學考察方面圍繞「上天」「下海」這兩大方向，在「萬米深淵」領域，由於之前受制於深潛技術裝備的限制，人類對萬米深淵的認知甚至遠不如月球。

當「海鬥一號」出現後，情況變了，「海鬥一號」具備全球所有海洋深度的覆蓋能力，憑藉自身下潛深度優勢就可以探索這未知的極限深度海底，為我國生物、地質等研究領域提供一定高技術裝備。

王福利對這款潛水器很有信心，他告訴記者，「我們的『海鬥一號』在馬裡亞納海溝最深海區連續實現4次萬米下潛並作業，體現出很好的連續作業能力，這種高強度、密集型的萬米深潛作業，對技術成熟度要求是很高的。」

「但目前也遇到了一些挑戰，比如在夜間或者海況不好的情況下，我們的設備效率會受到一定的影響。今後我們將在提高潛水器的穩定性和可靠性方面繼續開拓。」王福利表示。

肺部氣體磁共振成像，信號增強數萬倍

「人體肺部氣體磁共振成像系統」同樣參與了抗疫工作，新冠疫情暴發初期，該系統在武漢同濟醫院、武漢市金銀潭醫院等臨床一線進行了應用，對新冠肺炎患者開展了系列肺功能影像學評估。

該系統外形雖然不搶眼，卻彌補了傳統磁共振成像的肺部「盲區」。

「人體肺部氣體磁共振成像系統」，圖中儀器負責將氙氣超極化

「人體肺部氣體磁共振成像系統」，圖中的小馬甲供患者做檢查時穿著

中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研究員蔣濱向《國際金融報》記者解釋，「因為人體內含量最多的是水，過去我們一般採用水分子中的氫原子核來做成像，這樣做能得到最強的信號。但人體的肺部比較特殊，是個『空腔』，含水量不夠，導致肺部做磁共振成像顯示的是一片黑。」

「我們利用新技術，將氙氣超極化使得磁共振信號增強幾萬倍，再讓人吸入肺部，即可以獲得肺部磁共振影像。」蔣濱表示。

「氣體信號比液體信號低很多，因為氣體密度一般只相當於液體千分之一，但是超極化的技術在此處發揮重大作用，彌補了密度不足。」蔣濱強調。

同時，「人體肺部氣體磁共振成像系統」可以對肺部通氣、微結構和氣血交換功能進行定量、可視化精確評估。這一點很重要，蔣濱舉例說，「假如有一名感染肺炎的患者，給他肺部CT拍片時看到影像已經恢復正常，就是炎症消失了，但這其實只能證明他的肺部結構恢復正常，並不能說明肺部其他指標沒有問題，所以他走路可能還在喘氣，這時候就需要更多指標的精確評估。」

此外，蔣濱繼續解釋，「氙氣是一種惰性氣體，不至於在進入體內後和和其他物質發生反應，也能確保人體健康安全。」

該系統實現智慧財產權轉化落地，已通過上海醫療器械檢測所註冊檢測，國家藥監局「創新醫療器械特別審查程序」審評。

讓你看見「磁場」的顯微鏡

「它不僅像傳統的原子力顯微鏡一樣可以進行材料表面的三維形貌成像，通過結合光探測磁共振技術，利用量子精密測量原理，用鑽石中的氮空位缺陷做為探針，還可以做樣品表面磁場的成像，所以這臺儀器可以為磁性材料研究提供幫助。」國儀量子（合肥）技術有限公司應用工程師代映秋正在向大家介紹這臺獲得「創新引領獎」的「量子鑽石原子力顯微鏡」。

該顯微鏡是一臺基於NV色心和AFM掃描成像技術的量子精密測量儀器，是我國第一臺可以測量材料磁場的顯微鏡，也是研究材料磁學性質的新利器。

「量子鑽石原子力顯微鏡」通過對鑽石中氮-空位（NV）中心發光缺陷的自旋進行量子操控與讀出，可實現磁學性質的定量無損成像，具有納米級的高空間解析度以及單個自旋的超高探測靈敏度，在磁疇成像、二維材料、拓撲磁結構、超導磁學、細胞成像等領域有廣泛應用。

代映秋告訴《國際金融報》記者，「這臺儀器是第一次用量子技術和原子力顯微鏡結合，將原來只能測材料表面形貌的顯微鏡增加了一個測量磁結構的表面磁場成像功能。」

記者在現場看到，這臺顯微鏡比我們印象中的顯微鏡的體積大很多，但是它測量的材料其實非常小，小到肉眼無法看見；更讓人驚嘆的是，該儀器能測量磁結構的表面磁場。

「量子鑽石原子力顯微鏡」

此外，記者發現本屆工博會獲獎展品中有不少是在「卡脖子」技術方面有所突破，這也正體現出我國科研在掌握核心技術自主智慧財產權方面的決心。正如中科院院長白春禮所言，把「卡脖子」清單變成科研清單。

記者 吳斯潔