應用于蒙華鐵路白城隧道的世界首臺馬蹄形掘進機
新生兒采足跟血檢測遺傳性耳聾
腦起搏器工作原理示意圖
庫布其沙漠防治工程實施后的景觀鳥瞰圖
車載式低量風送高射程噴霧機作業現場
2019年新年伊始，一年一度的科技界盛會——國家科學技術獎勵大會如期而至。
在2018年度的獲獎項目名錄里，異形掘進機、林業病蟲害防治、腦起搏器、遺傳性耳聾基因診斷芯片、風沙災害防治……這些鮮為人知的科技，有的解決了世界性難題，有的填補了國內空白，還有的達到了國際領先水平。它們將顛覆和超越進行到底，改變著國計民生。
異形掘進機 狹窄地下空間打洞游刃有余
日常生活中，對隧道建設稍有了解的人都知道，開挖隧道離不開掘進機，而圓形掘進機是最為常見的隧道掘進設備。對于鬧市區下穿隧道或是地鐵出入口這種淺覆土、狹窄空間的施工條件，則需要對掘進設備進行變形、升級，這樣的設備，我們稱之為“異形掘進機”。
1月8日，在人民大會堂召開的2018年度國家科學技術獎勵大會上，“異形全斷面隧道掘進機設計制造關鍵技術及應用”項目獲2018年度國家科技進步獎二等獎。該項目第一完成人、973項目首席科學家、中鐵工業總經理李建斌介紹，該項目歷經10余年產學研用協同攻關，突破了異形全斷面掘進機關鍵技術，一舉解決了異形掘進機方面的世界難題，標志著我國異形掘進機技術已經居于國際領先水平。
目前，中鐵工業已經實現了異形掘進機產業化，其自主研制的異形掘進機系列包括超大斷面矩形掘進機、馬蹄形掘進機、U形掘進機等，并形成了系統化的設計制造方法與技術。中國機械工程學會鑒定，該成果填補了國內外異形掘進機技術空白，多項創新技術達到國際領先水平。相比常規的圓形掘進機，異形掘進機在適應淺覆土、狹窄空間工況的同時，其斷面利用率大、施工成本低、對地面擾動小，且安全環保，提升隧道空間利用率高達20%，主要用于城市下穿隧道、地鐵口等工程作業。它不僅促進了地下空間開發新工法與新設備的協同創新，更引領了地下空間開發領域技術進步，對實現城市綠色建造具有重大意義。
2013年，中鐵工業旗下的中鐵裝備研制成功當時世界上最大斷面的矩形掘進機，并成功應用于鄭州市中州大道下穿隧道工程，開啟了國內城市隧道建設新模式，被業界譽為“治堵利器”。
在杳無人煙的毛烏素沙漠，中鐵工業創新研制的世界首臺馬蹄形掘進機實現了蒙華鐵路白城隧道的正式貫通，在它的掘進過程中，不僅創下了一系列世界施工紀錄，更帶來了一種更為綠色環保、人性化的工法傳奇，隧道工人們在勞作之余，甚至可以坐在掘進機的休息室內，品嘗上一杯香濃的盾構咖啡，在業界一時傳為美談，被譽為“毛烏素沙漠的當代傳奇”。
“黑盒”思路 顛覆式互操作打破信息孤島
信息技術20多年的網絡化發展，形成了數百萬計的信息孤島，其中蘊藏了富含價值的海量數據，特別是政企內部的信息系統，是基于數據融合分析來輔助決策的主體。打破信息孤島，實現其業務數據和功能與第三方系統的高效互操作，已成為大數據發展的重大需求，是制約大數據價值鏈上下游的卡脖子技術，也是公認的世界級挑戰。
據中國科學院院士梅宏介紹，傳統互操作技術采用“白盒”思路，在全面了解信息孤島內部實現細節的基礎上進行手工改造，效率低、成本高、風險難控。“云—端融合系統的資源反射機制及高效互操作技術”項目，提出了顛覆式的互操作技術途徑——“黑盒”思路。該技術將信息系統視為黑盒，通過對系統客戶端的外部監測與控制來實現系統業務數據和功能的高效互操作，消除了系統源碼、數據庫表、后臺權限、原開發團隊等“白盒”依賴，發明了人機協同的互操作接口自動化生成方法，代碼生成率超過95%，信息孤島開放效率平均提升2個數量級。該項目榮獲2018年度國家技術發明獎一等獎。
目前，由該項目成果轉化研發出的燕云平臺已廣泛應用于北京、貴陽、上海等多地的智慧城市建設，如北京西城街道的數字紅墻系統，浙江最多跑一次商事證照登記聯辦都是燕云平臺支撐的便民服務應用；在工業大數據領域應用于能源、紡織、食品等多個行業，成為大數據領域的一項共性關鍵技術。
精準殺蟲 有效撲滅“無煙的森林火災”
我國人工林病蟲害發生面積約占林業有害生物總發生面積的80%。林業病蟲害是“無煙的森林火災”，不僅危害嚴重、損失巨大，而且在防治上具有艱巨性和長期性，直接威脅生態安全。長期以來，我國林業病蟲害防治施藥專用裝備一直處于空白。
由南京林業大學、南通市廣益機電有限責任公司完成的“林業病蟲害防治高效施藥關鍵技術與裝備創制及產業化”項目針對植株高大、冠層濃密、病蟲害突發性強、蔓延迅速等林業病蟲害的重大防治難題，創造性地開展了以“高射程”“強穿透”“高附著”和“精確對靶”為防治需求的施藥關鍵技術研究，研制了多元化、系列化、自動化及多功能集成的林用施藥裝備并產業化推廣應用。該成果獲得2018年度國家科技進步獎二等獎。
該項目負責人南京林業大學教授、江蘇省重點學科“機械工程”學科帶頭人周宏平介紹，項目團隊建立了射程高、穿透性強、沉積效果好的施藥技術體系，實現了從地面到空中、從低矮苗木到高大林木病蟲害的快速高效立體防治；首次提出了林木冠形特征獲取及實時分析方法，構建了多源信息融合技術，實現了精確對靶變量施藥；創制了多元化、系列化、自動化及多功能集成的林用施藥裝備，實現了產業化和推廣應用。
“我們還創制了地面與空中防治結合、車載與便攜式結合、機械化與自動化結合的7個類別、18個型號的系列化、多功能集成的立體式林用高效施藥裝備，其最大垂直射程45米，最大噴煙量420升/小時，生物農藥活性90%以上，農藥有效利用率50%以上，地面最高作業效率噴霧360畝/小時、噴煙690畝/小時；首次制訂了本項目成果的林業行業標準，保證項目技術規范及順利實施；形成林用施藥裝備的規模化生產能力及廣泛推廣應用，覆蓋全國各地，出口14個國家和地區，累計產值10.77億元。”周宏平說。
令人欣喜的是，近3年來，地面病蟲害防治機械新增產值4.1億元，新增利潤4135.2萬元。10多年來，地面和空中防治裝備累計防治面積達5.4億畝次，有效控制了病蟲害的發展和蔓延。
防治沙災 茫茫大漠中蕩出“綠色方舟”
中國的風沙災害主要發生在干旱、半干旱和部分半濕潤地區的約167萬平方公里的區域，影響范圍大、發生頻率高，嚴重影響國家生態安全和社會經濟的可持續發展，并威脅到區域人類的生存與發展。
由中國科學院寒區旱區環境與工程研究所、億利資源集團有限公司、中鐵西北科學研究院有限公司、青藏鐵路公司、敦煌研究院完成的“風沙災害防治理論與關鍵技術應用”項目面向國家風沙災害與沙漠化防治的迫切需求，系統開展了風沙災害防治理論研究與關鍵技術研發應用，取得了一系列理論創新和技術集成創新成果。該成果獲得2018年度國家科技進步獎二等獎。
中國科學院寒區旱區環境與工程研究所所長王濤介紹，在創新性理論方面，項目系統識別了中國風沙危害的類型、程度與成因，建立了風沙危害評估方法并給出其時空格局量化結果；闡明了風沙危害的物理學與生物學耦合機理；形成了防沙治沙的恢復生態學理論；總結完善了防沙治沙理論體系，發展了中國風沙防治工程學。
“在創新性技術方面，項目團隊研發了半干旱沙區裸露創面快速穩定恢復技術體系；創新了干旱沙區植被穩定建植的流沙固定技術與模式；研發了極端干旱區自然文化遺產保護修復治理關鍵技術體系；研發了寒旱區鐵路風沙災害防治的關鍵技術體系；創新了風沙防治產業化技術體系和模式；創新了政府扶持、企業主導、科技支撐、農牧民參與的‘政產學研用’一體化的防沙治沙新機制，形成了風沙防治產業化技術體系和‘庫布其模式’。”王濤說。
青藏鐵路綜合風沙防治體系建成后，消除了因風沙危害造成的停車事故，保證了線路的安全運營；敦煌莫高窟風沙危害綜合防護體系建成后，窟前積沙減少了80%以上，風沙災害得到有效治理，保護了莫高窟世界文化遺產；鳴沙山月牙泉的風沙流場恢復與沙害防治措施，使月牙泉免遭沙埋，促成該景區成功申報為國家5A級風景名勝區和世界地質公園。項目完成單位在風沙災害防治實踐中實現農牧民就業扶貧，帶動庫布其沙漠、科爾沁沙地、騰格里沙漠周邊民眾脫貧超過5萬人。迄今為止，該項目通過示范推廣新技術和新模式100多萬公頃，已取得直接經濟效益超過300億元。
腦部起搏器 讓帕金森病患者“重啟”健康人生
心臟起搏器，相信大家都聽說過，但對于腦起搏器，恐怕就比較陌生了。腦起搏器有什么作用，難道大腦也需要“起搏”？
“腦起搏器也稱為腦深部刺激器，它是一種直接作用于神經中樞的裝置，主要用來治療帕金森病等神經系統疾病。”清華大學航天航空學院航空宇航工程系教授、神經調控技術國家工程實驗室主任李路明說。
帕金森病等神經系統疾病嚴重危害患者健康，也給患者家庭、社會帶來沉重的負擔。據估計，到2030年，我國的帕金森病患者人數將占到全球患者總數的一半。通過植入電極直接刺激大腦，腦起搏器可以顯著改善患者的生活質量，是高端醫療器械的典型代表。
腦起搏器技術難度大，一直被美國獨家壟斷。由李路明領銜的“腦起搏器關鍵技術、系統與臨床應用”項目歷經17年，通過醫工融合自主突破核心技術，打破壟斷，并通過原創的理論、方法和技術，實現全球引領；原創變頻刺激療法和變頻腦起搏器，解決了帕金森病晚期步態障礙治療的世界難題；實現體外無線充電的“零灼傷”，全球首次實現腦起搏器10年以上的質保壽命；創新電極技術和手術方法，解決了頭頸運動引起電極斷裂的臨床難題；首創安全可靠的遠程程控技術，解決了異地患者術后返診難題。
“尤為值得一提的是，產品療效顯著，平均為每名患者節省10萬元。2017年國內市場占比達60%，而且出口英國等4個國家。”李路明說。正因如此，該項目獲得2018年度國家科技進步獎一等獎。
肺癌微創治療 部分手術可實現24小時出入院
肺癌是癌癥中的頭號殺手，我國肺癌年死亡病例61萬，近30年發病率上升465%。“外科切除是根治早中期肺癌的關鍵,但手術技術亟須提高,手術規范、圍術期治療等方面亟待完善。”廣州醫科大學附屬第一醫院院長何建行說。
如何因人制宜制定手術方案，實現精準切除？這是何建行經常思考的問題。由其牽頭的“肺癌微創治療體系及關鍵技術的研究與推廣”項目獲2018年度國家科技進步獎二等獎。為實現微創治療，課題組首先通過建立4種高選擇自主呼吸麻醉模式減少了肌松藥物及機械通氣的副作用，然后通過建立7種微創手術切口、6種精準微創切除—重建手術模式，實現了因瘤、因人制宜的精準手術體系，通過上述手術技術的研發，使微創手術適用范圍提高到95％以上，同時提高遠期生存率6%，并發癥率減少60%，并革命性地將部分極早期肺癌的手術進化為24小時出入院的日間手術。
“與此同時，項目還首次在國際上規范并細化了早期肺癌3種切除方式的選擇標準，同時明確了早期肺癌手術的淋巴結清掃數目，為手術質控提供了關鍵量化標準，用以指導我國早期肺癌微創手術的臨床路徑與精準切除。從而顯著提高了我國早中期肺癌的療效。”何建行說。
耳聾診斷芯片 避免人間無聲悲劇上演
有數據顯示，聽力障礙已成我國第二大出生缺陷疾病。我國現有聽力殘疾人2054萬，其中0—6歲兒童超過80萬人，且每年新增3萬聾兒。在治療方面，除昂貴的人工耳蝸植入外，重度耳聾尚無法治療。
“因此，早期診聾防聾至關重要。研究表明，約有60%重度耳聾是因為遺傳因素導致。正常人中約5%的耳聾基因攜帶率，是造成成人后天耳聾和生育下一代聾兒的主要原因。然而，傳統的耳聾篩查和診斷技術操作繁瑣、通量低，且難以發現遲發性耳聾和藥物致聾敏感人群。”中國工程院院士、清華大學醫學院教授程京說。所以，迫切需要一款高精度、高靈敏度、高通量、低成本的新型基因突變檢測技術及配套設備，以實現規模化預防耳聾。
由清華大學、中國人民解放軍總醫院和博奧生物集團有限公司聯合研發的“遺傳性耳聾基因診斷芯片系統的研制及其應用”項目，發明了多重等位基因特異性擴增及通用芯片技術，并在此基礎上研制出全球首款耳聾基因診斷芯片，可同時檢測4個最常見致聾基因上的9個突變熱點，使我國成為國際上規模最大的對遺傳病進行分子篩查的國家。
該項目目前已推廣到全國包括臺灣在內的30余個省市及越南等地，并已在20個省市納入政府民生工程。截至2018年底，全國接受遺傳性耳聾基因篩查的新生兒數量超過300萬，檢出總突變率為4.4%，其中藥物致聾基因攜帶者就有8000多人，直接避免了受檢者和家庭成員約8萬多人因使用藥物不當而致聾。該項目榮獲2018年度國家技術發明獎二等獎。（記者 馬愛平 付麗麗）