【科學+】
編者按
全國科學技術名詞審定委員會日前發(fā)布了“基于重大科技創(chuàng)新的新概念新術語規(guī)范化體系化”工作成果。其中，“泛在操作系統(tǒng)”“高性能制造”“深部固體資源流態(tài)化開采”“超級微創(chuàng)手術”4項體系化新名詞，均為我國科學家率先提出。它們萌發(fā)于重大科技創(chuàng)新的生動實踐，是科學家在加快建設科技強國、實現(xiàn)高水平科技自立自強的征程中，對標“構建漢語科技語言體系”，主動參與國際科技話語權競爭的積極嘗試。
它們將對科研工作，乃至日常生產、生活產生怎樣的影響？聽聽科技大咖們怎么說——
泛在操作系統(tǒng)
推動“萬物互聯(lián)”走向智能協(xié)同
梅宏 郭耀
人類正在進入一個“人機物”三元融合的萬物智能互聯(lián)時代。萬物數(shù)字化、社會經濟數(shù)字化轉型，催生了“計算無處不在而又無跡可尋”的泛在計算(ubiquitous computing)新場景。在此背景下，一種新型基礎軟件形態(tài)——泛在操作系統(tǒng)應運而生。該系統(tǒng)秉承泛在計算思想，面向泛在化計算資源管理，支持泛在應用開發(fā)運行，具有泛在感知、泛在互聯(lián)、輕量計算、輕量認知、反饋控制、自然交互等新特點，標志著操作系統(tǒng)從管理“單臺計算設備”邁向管理“人機物多類資源及其融合”的新階段。
傳統(tǒng)操作系統(tǒng)聚焦單個計算節(jié)點(如服務器、PC、手機)內部軟硬件資源的操作與管理，而泛在操作系統(tǒng)則將管理對象擴展至物理世界中分布廣泛、形態(tài)各異、動態(tài)聯(lián)通的泛在化異構計算資源，旨在構建一個能夠靈活橋接異構資源、支撐新型計算模式應用的統(tǒng)一系統(tǒng)軟件層。狹義上，泛在操作系統(tǒng)主要面向物聯(lián)設備，以輕量級計算為核心，強調實時性與可靠性，聚焦于“感、聯(lián)、知、控”的共性能力支撐。廣義上，從操作系統(tǒng)網絡化的視角看，它也可被視為面向網絡環(huán)境與場景的新型“中間件”層系統(tǒng)軟件，即基于已有的各類節(jié)點操作系統(tǒng)，整合與協(xié)調不同設備能力，服務于物聯(lián)網、機器人、智慧城市、智慧家居等多樣化場景。不同領域的核心系統(tǒng)軟件，均可視為泛在操作系統(tǒng)理念在具體維度的實踐。
泛在操作系統(tǒng)的核心能力體現(xiàn)在應對兩大關鍵挑戰(zhàn)：一是資源的深度虛擬化與統(tǒng)一抽象。它將散布于各處的計算單元、傳感設備、執(zhí)行機構的能力，抽象并封裝為標準化、可被發(fā)現(xiàn)和調用的“服務”，實現(xiàn)從“硬件資源”到“可流通服務”的根本轉變，為跨設備資源池化與協(xié)同利用奠定基礎。二是極致的異構性橋接與協(xié)同編排。面對不同架構、能力與廠商的設備，它通過建立通用“協(xié)同協(xié)議”與智能調度機制，實現(xiàn)任務與數(shù)據(jù)的動態(tài)、最優(yōu)分配。這使得多個簡單終端通過精密協(xié)作，涌現(xiàn)出遠超單體設備的復雜智能行為，完成從“單體智能”到“群體智能”的范式遷移。
操作系統(tǒng)的競爭，不僅是單一產品的較量，更是對未來數(shù)字社會核心基礎設施主導權的爭奪。出于國家安全與產業(yè)自主可控的需要，我國始終將操作系統(tǒng)列為戰(zhàn)略必爭領域，已在傳統(tǒng)操作系統(tǒng)方面圍繞“國產替代”目標持續(xù)投入并取得重要進展。泛在操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件發(fā)展的新賽道，面向人機物融合、萬物互聯(lián)的新藍海，我們更需積極前瞻布局。當具備靈活資源虛擬化與異構性橋接能力的泛在操作系統(tǒng)走向成熟時，它將如同新一代“電網”或“路網”那樣，成為支撐數(shù)字經濟高質量發(fā)展、保障國家網絡空間安全不可或缺的基石。
從智慧工廠的設備自主協(xié)調，到智慧城市的系統(tǒng)聯(lián)動管理，再到個性化健康服務的無縫提供……泛在操作系統(tǒng)正從技術概念走向廣泛實踐，推動“萬物互聯(lián)”從簡單連接走向智能協(xié)同，讓技術隱于無形、服務主動貼心。
(作者分別系中國科學院院士、北京大學計算機學院教授；北京大學計算機學院教授)
高性能制造
助高端裝備性能超越極限
郭東明
無論是戰(zhàn)機破空，還是火箭飛天，都需要高端裝備以優(yōu)異性能，在極端服役條件下精準完成目標任務。當前，我國在航空航天、海洋工程、國防軍工等重大戰(zhàn)略領域中，對高端裝備的性能要求已逼近現(xiàn)有技術能力的極限。為了讓高端裝備的性能不斷超越極限，高性能制造應運而生。
傳統(tǒng)制造中，設計、制造環(huán)節(jié)相對獨立，難以直接對標最終性能。而高性能制造以“性能精準達成”為根本目的，以“產品性能數(shù)學建模”為導航，以“設計制造深度融合”為驅動引擎，通過對目標性能進行數(shù)學建模，將“人的經驗和知識”轉化為清晰、可計算的顯性模型，從而系統(tǒng)性地推動高端裝備一次次實現(xiàn)性能跨越。
以對空導彈為例，其前端的頭罩肩負著多重使命，既需良好的氣動外形，在極速飛行時能夠減小阻力，也需具備“透波無畸變”的優(yōu)異性能，保證鎖定敵機的信號清晰準確，還需化身堅固隔熱屏障，承受上千攝氏度的氣動高溫。令設計師棘手的是，氣動、透波、耐熱三大性能會相互制約，若僅憑經驗摸索，難免會顧此失彼。高性能制造為此提供了完整的解決方案，它不依賴經驗，而是基于科學原理建立數(shù)學模型，精準地描述外形、材料、厚度等因素對最終性能的綜合影響。在高性能制造的導航圖上，設計目標被明確為“以精準擊敵為最終性能目標，在多重約束中尋求最優(yōu)的平衡點”。正是憑借精準的目標和堅實的理論依據(jù)，高性能制造助力導彈一次次突破極限，最終鑄就震懾宵小的“穿云之箭”。
任何精妙的方案，都需依靠“設計制造深度融合”來實現(xiàn)。在高性能制造中，設計過程就要充分考慮制造工藝的能力邊界與成本限制，制造過程也不僅僅是被動復現(xiàn)圖紙，而是主動調控產品性能。在產品性能數(shù)學模型的引導下，制造過程中的實際條件被量化為性能影響因素，并反饋至設計環(huán)節(jié)。以飛機發(fā)動機為例，為了能夠在上千度的高溫中工作，需在渦輪葉片內設置微小、精密的冷卻結構。傳統(tǒng)制造范式下，設計師設計的冷卻結構可能因制造能力限制而無法實現(xiàn)；高性能制造范式下，在設計階段，設計師就可以將激光打孔、增材制造等工藝作為工具，同時，制造工藝參數(shù)也被性能模型量化為冷卻效果的影響因素，反饋至設計端進行改進。由此，產品不再面臨“設計出但造不出”的限制，制造環(huán)節(jié)也成為性能的共同塑造者，通過與設計深度融合，共同打造超越現(xiàn)有極限的高性能產品。
可見，掌握了高性能制造這一新范式，就如同掌握了打造“倚天長劍”的核心法則。在我國邁向制造強國的關鍵時期，高性能制造的理論與方法，必將為重大裝備的發(fā)展提供不竭動力，為實現(xiàn)高水平科技自立自強奠定堅實基礎。
(作者系中國工程院院士)
深部固體資源流態(tài)化開采
向深地要資源、要空間
謝和平
隨著地球淺部固體資源漸趨枯竭，向深地要資源、要空間，成為未來發(fā)展的必然趨勢。大多固體資源70%以上的埋深超過2000米，而現(xiàn)有的開采工藝、技術、裝備等條件下的極限開采深度在1600米左右。為了提高人類對地球固體資源開采深度的極限能力，我們在全球首次提出“深部固體資源流態(tài)化開采”這一顛覆性技術構想。
該構想的核心，是原位開采深部固體資源，并原位轉化為氣態(tài)、液態(tài)或氣固液混態(tài)物質，在井下實現(xiàn)無人智能化采選充，以及熱電氣轉化的流態(tài)化開采技術體系。摒棄了傳統(tǒng)地下礦山的開拓布局模式，將深部固體資源在原位液化、氣化與電化，可以明顯減少巷道掘進的工作量，提高深部固體資源利用度，取消固體資源開發(fā)中間轉換環(huán)節(jié)，直接實現(xiàn)電、熱、氣一體化供給。
由傳統(tǒng)固體資源開發(fā)轉變?yōu)榱鲬B(tài)化開發(fā)，需要探索構建一套井下原位采、選、充、電、熱、氣一體化智能開采系統(tǒng)，即將傳統(tǒng)開采工藝集中構架在類似于隧道掘進機的系統(tǒng)中，通過機械粉碎固體礦物實現(xiàn)原位智能分選，并在綜合利用固體礦物有用成分的同時，就地消納廢物。以煤礦開采為例，深部流態(tài)化開采主要包括深部原位流態(tài)化開采、多元化利用、負碳化充填等幾個環(huán)節(jié)，可真正實現(xiàn)深部煤礦地面無煤、井下無人的高技術開發(fā)。
為了從根本上重塑深部固體資源的獲取模式，我們必須從理論、方法和技術系統(tǒng)上開展原創(chuàng)性研究，包括：探究相關巖石力學基礎理論與廢物就地消納的負碳充填技術，建立開采技術安全評價體系；探明深部煤體的破碎機理與動態(tài)破碎行為，創(chuàng)新研發(fā)開采新技術，突破流態(tài)化遠程輸運技術；創(chuàng)建原位熱、電、氣一體化、智能化、小型化技術裝備，研制智能開采效能和安全分析決策系統(tǒng)等。
作為一種顛覆深部固體資源開發(fā)的新模式，深部固體資源流態(tài)化開采是人類走向地球深部、開發(fā)利用深部資源的關鍵技術。我們應加快深部固體資源流態(tài)化開采理論、技術與裝備研發(fā)，使我國成為深部固體資源安全、綠色、智能開采的全球領跑者，助力我國早日完成由礦業(yè)大國向礦業(yè)強國的歷史性跨越。
(作者系中國工程院院士)
超級微創(chuàng)手術
開啟手術治療全新時代
令狐恩強 李惠凱
近200年來，手術治療疾病的模式均是以切除病變器官為核心手段。例如，胃癌患者需切除遠端胃、近端胃或全胃，以完成治療。術后，由于器官缺失、改道，相關器官的功能也會基本喪失。這類手術雖然能挽救生命，但卻因器官結構的不可逆損傷，嚴重影響患者術后的生活質量。
2016年，我們開創(chuàng)性地提出保全器官、根治疾病的“超級微創(chuàng)手術(SMIS)”理念。其核心是在完整保留器官解剖結構與生理功能的前提下，精準清除病灶，將手術治愈的目標由單純的“治愈疾病”提升到“治愈疾病且器官功能恢復如初”的高度，徹底顛覆“以犧牲器官換取療效”的傳統(tǒng)模式。
超級微創(chuàng)手術通過人體自然腔道(如食管、氣管、尿道等)，或直接穿入人體的微小人工通道，借助高清內鏡與精密器械，對病灶實施毫米級精準清除。對于消化道腫瘤治療，經口插入內鏡，利用染色放大技術定位癌變組織，再以專用電刀切除病變，消化道器官結構完好如初，術后患者的消化吸收功能不受任何影響；對于膽囊膽管疾病，通過支撐開其在腸道內的微小開口，用超細內鏡與器械進入膽管、膽囊內部，在直視下清除結石、引流膿液、切除病變，在保持膽管、膽囊、肝葉正常結構的情況下，完全治愈疾病。
超級微創(chuàng)手術經由自然腔道、隧道、穿刺通道、多腔隙通道，構建起覆蓋全器官系統(tǒng)的技術體系。其中，自然腔道是通過鼻腔、氣道、食道、尿道等，實施食管癌、胃癌超級微創(chuàng)切除手術，以避免食管和胃被部分或全部切除；隧道通道是通過在人體組織中建立通道到達手術位置，或在人工建立的空間內開展體外經皮下通道甲狀腺手術、乳腺手術等；穿刺通道是通過穿刺進入人體自然腔隙，或疾病形成的腔隙內開展手術；多腔隙聯(lián)合通道是整合多器官空間路徑，為復雜病例設計個性化方案。
隨著超級微創(chuàng)手術的廣泛應用，其創(chuàng)新價值獲得高度評價。雖然完美解決疾病各個階段的治療問題還需要輔助治療手段的進步與完善，但手術治療學的全新時代已然開啟，相當一批患者已經獲益。我們相信，在超級微創(chuàng)理念的引領下，伴隨放化療、靶向治療等技術進步，絕大部分需要手術治療的疾病，均能通過超級微創(chuàng)手術獲得近乎完美的治療效果。
(作者分別系中國人民解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學中心消化內科醫(yī)學部主任；中國人民解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學中心消化內科醫(yī)學部食管胃病科主任)
來源：光明日報