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(yè)現(xiàn)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(yè)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(qū)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(yè)總經理李建斌介紹，該項目歷經10余年產學研用協(xié)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(yè)已經實現(xiàn)了異形掘進機產業(yè)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(tǒng)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(chuàng)新技術達到國際領先水平。相比常規(guī)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(huán)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(yè)。它不僅促進了地下空間開發(fā)新工法與新設備的協(xié)同創(chuàng)新，更引領了地下空間開發(fā)領域技術進步，對實現(xiàn)城市綠色建造具有重大意義。

　　2013年，中鐵工業(yè)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(yè)界譽為“治堵利器”。

　　在杳無人煙的毛烏素沙漠，中鐵工業(yè)創(chuàng)新研制的世界首臺馬蹄形掘進機實現(xiàn)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(chuàng)下了一系列世界施工紀錄，更帶來了一種更為綠色環(huán)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(yè)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(fā)展，形成了數(shù)百萬計的信息孤島，其中蘊藏了富含價值的海量數(shù)據(jù)，特別是政企內部的信息系統(tǒng)，是基于數(shù)據(jù)融合分析來輔助決策的主體。打破信息孤島，實現(xiàn)其業(yè)務數(shù)據(jù)和功能與第三方系統(tǒng)的高效互操作，已成為大數(shù)據(jù)發(fā)展的重大需求，是制約大數(shù)據(jù)價值鏈上下游的卡脖子技術，也是公認的世界級挑戰(zhàn)。

　　據(jù)中國科學院院士梅宏介紹，傳統(tǒng)互操作技術采用“白盒”思路，在全面了解信息孤島內部實現(xiàn)細節(jié)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(tǒng)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(tǒng)視為黑盒，通過對系統(tǒng)客戶端的外部監(jiān)測與控制來實現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務數(shù)據(jù)和功能的高效互操作，消除了系統(tǒng)源碼、數(shù)據(jù)庫表、后臺權限、原開發(fā)團隊等“白盒”依賴，發(fā)明了人機協(xié)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(shù)量級。該項目榮獲2018年度國家技術發(fā)明獎一等獎。

　　目前，由該項目成果轉化研發(fā)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(shù)字紅墻系統(tǒng)，浙江最多跑一次商事證照登記聯(lián)辦都是燕云平臺支撐的便民服務應用；在工業(yè)大數(shù)據(jù)領域應用于能源、紡織、食品等多個行業(yè)，成為大數(shù)據(jù)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(fā)生面積約占林業(yè)有害生物總發(fā)生面積的80%。林業(yè)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(tài)安全。長期以來，我國林業(yè)病蟲害防治施藥專用裝備一直處于空白。

　　由南京林業(yè)大學、南通市廣益機電有限責任公司完成的“林業(yè)病蟲害防治高效施藥關鍵技術與裝備創(chuàng)制及產業(yè)化”項目針對植株高大、冠層濃密、病蟲害突發(fā)性強、蔓延迅速等林業(yè)病蟲害的重大防治難題，創(chuàng)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(yè)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(yè)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(xiàn)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(xiàn)了精確對靶變量施藥；創(chuàng)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(xiàn)了產業(yè)化和推廣應用。

　　“我們還創(chuàng)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(yè)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(yè)行業(yè)標準，保證項目技術規(guī)范及順利實施；形成林用施藥裝備的規(guī)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(qū)，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(fā)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(fā)生在干旱、半干旱和部分半濕潤地區(qū)的約167萬平方公里的區(qū)域，影響范圍大、發(fā)生頻率高，嚴重影響國家生態(tài)安全和社會經濟的可持續(xù)發(fā)展，并威脅到區(qū)域人類的生存與發(fā)展。

　　由中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)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(tǒng)開展了風沙災害防治理論研究與關鍵技術研發(fā)應用，取得了一系列理論創(chuàng)新和技術集成創(chuàng)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(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所所長王濤介紹，在創(chuàng)新性理論方面，項目系統(tǒng)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(tài)學理論；總結完善了防沙治沙理論體系，發(fā)展了中國風沙防治工程學。

　　“在創(chuàng)新性技術方面，項目團隊研發(fā)了半干旱沙區(qū)裸露創(chuàng)面快速穩(wěn)定恢復技術體系；創(chuàng)新了干旱沙區(qū)植被穩(wěn)定建植的流沙固定技術與模式；研發(fā)了極端干旱區(qū)自然文化遺產保護修復治理關鍵技術體系；研發(fā)了寒旱區(qū)鐵路風沙災害防治的關鍵技術體系；創(chuàng)新了風沙防治產業(yè)化技術體系和模式；創(chuàng)新了政府扶持、企業(yè)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(yè)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(qū)成功申報為國家5A級風景名勝區(qū)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(xiàn)農牧民就業(yè)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(tǒng)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(tǒng)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(jù)估計，到2030年，我國的帕金森病患者人數(shù)將占到全球患者總數(shù)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(yī)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(tǒng)與臨床應用”項目歷經17年，通過醫(yī)工融合自主突破核心技術，打破壟斷，并通過原創(chuàng)的理論、方法和技術，實現(xiàn)全球引領；原創(chuàng)變頻刺激療法和變頻腦起搏器，解決了帕金森病晚期步態(tài)障礙治療的世界難題；實現(xiàn)體外無線充電的“零灼傷”，全球首次實現(xiàn)腦起搏器10年以上的質保壽命；創(chuàng)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(chuàng)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(jié)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(chuàng)治療 部分手術可實現(xiàn)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(fā)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(guī)范、圍術期治療等方面亟待完善。”廣州醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院院長何建行說。

　　如何因人制宜制定手術方案，實現(xiàn)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(chuàng)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(xiàn)微創(chuàng)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(chuàng)手術切口、6種精準微創(chuàng)切除—重建手術模式，實現(xiàn)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(fā)，使微創(chuàng)手術適用范圍提高到95％以上，同時提高遠期生存率6%，并發(fā)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(guī)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(shù)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(chuàng)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(shù)據(jù)顯示，聽力障礙已成我國第二大出生缺陷疾病。我國現(xiàn)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(tǒng)的耳聾篩查和診斷技術操作繁瑣、通量低，且難以發(fā)現(xiàn)遲發(fā)性耳聾和藥物致聾敏感人群。”中國工程院院士、清華大學醫(yī)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(xiàn)規(guī)模化預防耳聾。

　　由清華大學、中國人民解放軍總醫(yī)院和博奧生物集團有限公司聯(lián)合研發(fā)的“遺傳性耳聾基因診斷芯片系統(tǒng)的研制及其應用”項目，發(fā)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(guī)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(shù)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(fā)明獎二等獎。（記者 馬愛平 付麗麗）