這些“黑科技”是怎樣煉成的？

航空發動機葉片這顆“皇冠上的明珠”如何摘得？“超級細胞工廠”如何孕育出構建萬物的材料？“既柔又剛”的搖臂如何在手術臺上大顯身手？

近年來，越來越多掌握“黑科技”的“專精特新”企業成為中國製造的重要支撐。數據顯示，我國已累計培育專精特新“小巨人”企業1.2萬餘家、專精特新中小企業超9.8萬家。近期，記者走進北京幾家掌握“黑科技”的專精特新企業，一窺他們的科技創新能力和廣闊發展潛力。

天空上的葉片

航空發動機製造技術被稱為“製造業的皇冠”，而單晶渦輪葉片製造技術則是“皇冠上的明珠”。長期以來，能製造新型航空發動機的只有美、英、法、俄等少數國家。

欲戴“皇冠”，必承其重：托起重達百噸的大飛機遨遊天空，航空發動機要提供巨大推力，其動力之源的渦輪葉片每秒轉速300多轉，承受的離心力相當於葉片本身品質的1萬倍，相當於一個渦輪葉片挂著5輛小轎車。

這樣的高速轉動，渦輪葉片工作溫度達1700多攝氏度，鋼鐵都可輕鬆熔化。渦輪葉片卻需要在這樣複雜的交變載荷、極端的工作條件下，長時間穩定、可靠、安全地工作。

長期以來，這類巧奪天工的技藝，其大批量、高品質、高效率、高合格率、高一致性地加工製造是世界性難題。

如今，我國企業靠著自己研製的國際領先的電加工設備和數字孿生技術，得以成批量生産。記者在北京漢飛航空科技有限公司單晶渦輪葉片生産線上看到，一百多臺多軸電火花高速穿孔機床正緊鑼密鼓地自動加工，透過防護窗看到，由機床自動控制的電火花在葉片表面舞動，機器人穿梭在機床、垛料區和檢驗區之間。在控制室，工廠自研的數字孿生技術將實時數據顯示在螢幕上，氣膜孔自適應加工指令由此下達。

“這是一個單晶渦輪葉片，是新型航空發動機和燃汽輪機的關鍵核心部件，是‘動力之源’，而我們漢飛公司的工作就像給飛機發動機裝空調，給單晶渦輪葉片造‘毛細血管’，給渦輪葉片起到冷卻降溫作用。”北京漢飛航空科技有限公司負責人指著一個手掌大小的金屬部件介紹。

一片單晶渦輪導向葉片上擁有幾百乃至上千個軸線方向、出入口角度不一，位置非均勻分佈、形狀不一的氣膜孔，而且葉片內部還有複雜的冷卻系統，加工氣膜孔時不能碰傷到內腔內壁，如果打孔時有一絲偏差，渦輪葉片在高溫高速工況下就會燒燬，飛機就可能掉下來。

“一台飛機發動機的渦輪葉片需加工多達幾萬個氣膜孔，猶如‘螺螄殼裏做道場’，必須確保每個氣膜孔都嚴格按設計加工。”漢飛公司負責人説。

“成百上千個小孔噴出冷卻氣體，形成氣膜，把葉片包裹起來，才能將燃燒室高溫氣體與葉片表面隔開。因此，氣膜孔加工品質是影響單晶渦輪葉片合格率、冷卻效率和工作壽命的關鍵環節。”漢飛公司負責人説。

公司負責人介紹，他們通過單晶渦輪葉片氣膜孔數字化加工技術和自主研發的裝備，開拓了在新型航空發動機和燃氣輪機等多個尖端領域的應用，不僅解決了我國航空發動機和燃氣輪機核心部件渦輪葉片大批量産的瓶頸，更打破了國際先進裝備製造的技術壁壘，這也標誌著我國一舉摘下這顆“皇冠上的明珠”。

“從底層基本演算法、工業軟體、數控系統、三維測量和建模系統，到多軸數控電加工機床和智慧生産線，都是我們自己研製的，擁有自主智慧財産權。”公司負責人説，科研人員經過數十年探索和鑽研，使得單晶渦輪葉片加工合格率達到國際領先水準。

中國商飛預測，2021年至2040年中國航空市場需要新添50座級以上客機9084架，價值約1.4萬億美元。

“國産大飛機運營為我國航空製造業帶來了巨大機遇，我們要緊抓機遇，讓搭載自主發動機的國産大飛機翱翔雲天。”漢飛公司負責人説。

細胞裏的工廠

一個細胞能幹什麼？

在北京市順義區中德産業園的一間實驗室裏，科研人員把乳白色的物質加入裝有澱粉的大型發酵罐中。40多個小時後，發酵罐裏“長”出了大量粉狀的可用於生産塑膠薄膜的PHA（聚羥基脂肪酸酯）材料。

3D列印玩偶、感光衣……PHA製作而成的製品能廣泛應用於生物材料、紡織、農業和醫藥等領域。因為PHA在海水和土壤中都可快速自然降解，目前這一産品已經出口到美國、歐盟等地。

“這些乳白色的物質是細菌菌體形成的菌落，每一個菌體都是一個‘超級細胞工廠’。”清華大學合成與系統生物學中心主任陳國強教授告訴記者。

2003年，陳國強領導的科研團隊在中國新疆的艾丁湖發現了這種“神奇微生物”：它能在幾乎無水、200克/升鹽濃度、溫差近100度的極端環境下生存。任何其他微生物在它生長的環境下都幾乎無法存活，因此它具有天然的“免疫力”，可在開放、無滅菌的環境下被直接培養。

這種超級細胞，就成為細胞工廠的絕佳“生物底座”。

人們生活中大量的塑膠、服飾、醫療等産品，大都由傳統化工産業生産，不僅高耗能、耗水，而且不易降解，對自然不友好。用生物技術來合成人類生活所需的工業産品，成為未來産業發展的重要方向。

專家介紹，合成生物學是生物學、工程學、化學和資訊技術等相互交叉融合的新興領域，科學家借助基因編輯技術改造生物體，使生物體成為高效細胞微工廠，對物質進行定向、高效、大規模的加工轉化。因此，合成生物學被多國列入戰略型新興技術，被科學界稱為“第三次生物技術革命”。

如果用普通的微生物來製造高分子材料，就必須用嚴格無菌的環境。經過20年研究，來自中國艾丁湖的微生物經過20多次迭代和基因改造，終於從實驗室走到生産線，構建出可實現開放、無滅菌、連續培養的超級細胞工廠平臺。

2022年，項目在北京順義中德産業園順利投産，“小細菌”來到新天地，得以産業化落地。

“和傳統的化工生産線相比，我們的生産線顯得過於簡潔，這恰恰是優勢。”微構工廠董事長徐絢明指著背後的生産線向記者介紹，因為不用傳統化工産業的嚴格無菌、高壓環境，對水和能源的消耗也降低50%以上。

徐絢明介紹，除PHA外，項目目前還能生産醫藥原料四氫嘧啶、化合物3-羥基丙酸、賴氨酸、澱粉酶等。微生物從實驗室中走出來，成長為構建萬物的材料，應用到人類生活，最終又無毒無害回歸自然。

PHA的應用還不止於此。目前，科學家已經將PHA的一種産物——3-羥基丁酸（3HB）送上了太空，研究開發更有效的治療骨質疏鬆的藥物。

“我們將在太空微重力環境中研究3HB的成骨作用，為研製新的預防骨質疏鬆藥物，提供可能。”陳國強教授介紹

在肉眼不可見的顯微世界，合成生物學正在改變人類世界的未來。波士頓諮詢公司預測，到本世紀末，合成生物學手段將廣泛應用在佔全球産出1/3以上的製造業。

中國科學界和企業也在行動。今年，由清華、北大等8所國內高校、研究院所的16個研究團隊與16家合成生物産業鏈上下游企業聯合發起的“合成生物技術與智慧生物製造創新聯盟”在北京成立，將在這場科技革命中踏浪弄潮。

手術臺上的搖臂

患者手術路徑被輸入“大腦”後，機器人通過一個小切口將器械置入患者體內，精準避開患者的血管、神經，運動到指定位置後打孔。一台醫療機器人就這樣輔助醫生完成骨科手術，誤差可達微米級，精準和微創大大降低了患者的痛苦。

過去的機器人很“剛”，能搬能抬，能抓能握；現在的機器人更“柔”，剝蛋殼、打針、縫合傷口等精細活兒都不在話下。這些靈巧聰明的機器人是怎樣生産出來的？記者在北京順義區的一家機器人工廠找到了答案。

醫療專用機械臂是手術機器人的核心零部件，直接決定手術機器人的操控精度和穩定性。完成一個靈敏的機械臂並非易事。巴掌大小的關鍵零部件精密排布著編碼器、減速機和電路，這是機械臂成形的最小組件。不同規格的關節組成了機械臂的肩膀、手肘和手腕，再通過數據線和電路連接在一起，做成手臂的造型。

醫療機器人完成高精度作業的奧秘之一，就在於“手臂”定位準確、操控穩定、運動靈巧。

“各關節由獨立的一體化關節單獨驅動，配合高度靈敏的力矩感測器和機器視覺，在自研驅動演算法控制下，機器人作業系統與外部設備協同，最終實現‘手腦眼’協同。”北京思靈機器人科技有限責任公司副總經理陳尉介紹，當前其自研的力矩感測器靈敏程度，相當於“感知一隻蚊子落在手臂上的力道”。

擁有靈活敏捷的“手臂”和“身體”還不夠，一台足夠智慧的機器人必須具備聰慧的“大腦”。

基於10多年的技術沉澱，思靈機器人集機器人作業系統、多模態感知、運動控制等核心技術于一身，已有100多項專利傍身，基本實現核心技術自研。

基於此，思靈機器人已參與了多項骨科手術、神經外科手術、腔鏡手術，並將基礎研究延伸至腦機介面應用領域。

“以前做完脊柱手術患者要10多天才能下床，現在經過微創手術一天就能下床，術後只留下幾個口徑數毫米的小孔，減少了術後並發癥的發生。”陳尉表示，思靈已與多家醫院、高校合作完成多項動物實驗及臨床手術。

目前，越來越智慧的機器人廣泛應用到骨科、神經外科、康復科等，膠囊內鏡機器人、採血機器人、護理機器人等成為醫生的“得力助手”。

前瞻産業研究院的報告顯示，2017年至2021年，我國醫療機器人的市場規模增速均在20%以上。初步測算，2022年我國醫療機器人市場規模近百億元。

這些機器人還為工業、農業、教育及服務等生産生活提供服務。在思靈機器人服務的一個現代化智慧製造工廠，一台臺智慧機器人在生産線上完成産品的組裝、檢測，這些産品以每小時數百台的速度下線，且滿足産品良品率達到至少99.5%的要求，生産線基本實現無人化。

創新技術不斷迭代，數字化應用場景需求更多元，政策環境驅動為我國醫療機器人快速發展提供了廣闊空間。2020年以來，廣東、河北、上海、浙江等多地出臺政策支援外骨骼機器人産業的發展；北京、上海等地將手術機器人納入醫保範疇；北京成立了第一家由政府主導的醫療機器人技術協同創新平臺——北京醫療機器人産業創新中心……

專家表示，未來隨著醫療機器人與人工智慧、腦際交互、5G、大數據等前沿技術深入融合，國産機器人産業將更加智慧。

數據顯示，我國已經培育了7萬多家專精特新中小企業，其中專精特新“小巨人”企業8997家。去年新上市企業中，專精特新中小企業佔了59%，累計已經有1300多家專精特新中小企業在A股上市，佔A股上市企業總數的27%。

專精特新“小巨人”企業所處的領域千差萬別，但靈魂都是創新。近三年，北京新設中小企業中，“科技型”佔半數，超四成企業的核心技術産品填補國際國內空白。工信部數據顯示，“小巨人”企業累計獲得授權發明專利數14萬餘項。隨著我國繼續推進專精特新中小企業培育工作，一批批創新能力強的“小巨人”必將不斷成長為真正的巨人。記者 烏夢達 陳旭 陽娜 實習生 金梓純