将颠覆和超越进行到底
——2018年度国家科学技术奖励大会获奖项目亮点解读
本报记者 马爱平 付丽丽
2019年新年伊始，一年一度的科技界盛会——国家科学技术奖励大会如期而至。
在2018年度的获奖项目名录里，异形掘进机、林业病虫害防治、脑起搏器、遗传性耳聋基因诊断芯片、风沙灾害防治……这些鲜为人知的科技，有的解决了世界性难题，有的填补了国内空白，还有的达到了国际领先水平。它们将颠覆和超越进行到底，改变着国计民生。
异形掘进机 狭窄地下空间打洞游刃有余
日常生活中，对隧道建设稍有了解的人都知道，开挖隧道离不开掘进机，而圆形掘进机是最为常见的隧道掘进设备。对于闹市区下穿隧道或是地铁出入口这种浅覆土、狭窄空间的施工条件，则需要对掘进设备进行变形、升级，这样的设备，我们称之为“异形掘进机”。
1月8日，在人民大会堂召开的2018年度国家科学技术奖励大会上，“异形全断面隧道掘进机设计制造关键技术及应用”项目获2018年度国家科技进步奖二等奖。该项目第一完成人、973项目首席科学家、中铁工业总经理李建斌介绍，该项目历经10余年产学研用协同攻关，突破了异形全断面掘进机关键技术，一举解决了异形掘进机方面的世界难题，标志着我国异形掘进机技术已经居于国际领先水平。
目前，中铁工业已经实现了异形掘进机产业化，其自主研制的异形掘进机系列包括超大断面矩形掘进机、马蹄形掘进机、U形掘进机等，并形成了系统化的设计制造方法与技术。中国机械工程学会鉴定，该成果填补了国内外异形掘进机技术空白，多项创新技术达到国际领先水平。相比常规的圆形掘进机，异形掘进机在适应浅覆土、狭窄空间工况的同时，其断面利用率大、施工成本低、对地面扰动小，且安全环保，提升隧道空间利用率高达20%，主要用于城市下穿隧道、地铁口等工程作业。它不仅促进了地下空间开发新工法与新设备的协同创新，更引领了地下空间开发领域技术进步，对实现城市绿色建造具有重大意义。
2013年，中铁工业旗下的中铁装备研制成功当时世界上最大断面的矩形掘进机，并成功应用于郑州市中州大道下穿隧道工程，开启了国内城市隧道建设新模式，被业界誉为“治堵利器”。
在杳无人烟的毛乌素沙漠，中铁工业创新研制的世界首台马蹄形掘进机实现了蒙华铁路白城隧道的正式贯通，在它的掘进过程中，不仅创下了一系列世界施工纪录，更带来了一种更为绿色环保、人性化的工法传奇，隧道工人们在劳作之余，甚至可以坐在掘进机的休息室内，品尝上一杯香浓的盾构咖啡，在业界一时传为美谈，被誉为“毛乌素沙漠的当代传奇”。
“黑盒”思路 颠覆式互操作打破信息孤岛
信息技术20多年的网络化发展，形成了数百万计的信息孤岛，其中蕴藏了富含价值的海量数据，特别是政企内部的信息系统，是基于数据融合分析来辅助决策的主体。打破信息孤岛，实现其业务数据和功能与第三方系统的高效互操作，已成为大数据发展的重大需求，是制约大数据价值链上下游的卡脖子技术，也是公认的世界级挑战。
据中国科学院院士梅宏介绍，传统互操作技术采用“白盒”思路，在全面了解信息孤岛内部实现细节的基础上进行手工改造，效率低、成本高、风险难控。“云—端融合系统的资源反射机制及高效互操作技术”项目，提出了颠覆式的互操作技术途径——“黑盒”思路。该技术将信息系统视为黑盒，通过对系统客户端的外部监测与控制来实现系统业务数据和功能的高效互操作，消除了系统源码、数据库表、后台权限、原开发团队等“白盒”依赖，发明了人机协同的互操作接口自动化生成方法，代码生成率超过95%，信息孤岛开放效率平均提升2个数量级。该项目荣获2018年度国家技术发明奖一等奖。
目前，由该项目成果转化研发出的燕云平台已广泛应用于北京、贵阳、上海等多地的智慧城市建设，如北京西城街道的数字红墙系统，浙江最多跑一次商事证照登记联办都是燕云平台支撑的便民服务应用；在工业大数据领域应用于能源、纺织、食品等多个行业，成为大数据领域的一项共性关键技术。
精准杀虫 有效扑灭“无烟的森林火灾”
我国人工林病虫害发生面积约占林业有害生物总发生面积的80%。林业病虫害是“无烟的森林火灾”，不仅危害严重、损失巨大，而且在防治上具有艰巨性和长期性，直接威胁生态安全。长期以来，我国林业病虫害防治施药专用装备一直处于空白。
由南京林业大学、南通市广益机电有限责任公司完成的“林业病虫害防治高效施药关键技术与装备创制及产业化”项目针对植株高大、冠层浓密、病虫害突发性强、蔓延迅速等林业病虫害的重大防治难题，创造性地开展了以“高射程”“强穿透”“高附着”和“精确对靶”为防治需求的施药关键技术研究，研制了多元化、系列化、自动化及多功能集成的林用施药装备并产业化推广应用。该成果获得2018年度国家科技进步奖二等奖。
该项目负责人南京林业大学教授、江苏省重点学科“机械工程”学科带头人周宏平介绍，项目团队建立了射程高、穿透性强、沉积效果好的施药技术体系，实现了从地面到空中、从低矮苗木到高大林木病虫害的快速高效立体防治；首次提出了林木冠形特征获取及实时分析方法，构建了多源信息融合技术，实现了精确对靶变量施药；创制了多元化、系列化、自动化及多功能集成的林用施药装备，实现了产业化和推广应用。
“我们还创制了地面与空中防治结合、车载与便携式结合、机械化与自动化结合的7个类别、18个型号的系列化、多功能集成的立体式林用高效施药装备，其最大垂直射程45米，最大喷烟量420升/小时，生物农药活性90%以上，农药有效利用率50%以上，地面最高作业效率喷雾360亩/小时、喷烟690亩/小时；首次制订了本项目成果的林业行业标准，保证项目技术规范及顺利实施；形成林用施药装备的规模化生产能力及广泛推广应用，覆盖全国各地，出口14个国家和地区，累计产值10.77亿元。”周宏平说。
令人欣喜的是，近3年来，地面病虫害防治机械新增产值4.1亿元，新增利润4135.2万元。10多年来，地面和空中防治装备累计防治面积达5.4亿亩次，有效控制了病虫害的发展和蔓延。
防治沙灾 茫茫大漠中荡出“绿色方舟”
中国的风沙灾害主要发生在干旱、半干旱和部分半湿润地区的约167万平方公里的区域，影响范围大、发生频率高，严重影响国家生态安全和社会经济的可持续发展，并威胁到区域人类的生存与发展。
由中国科学院寒区旱区环境与工程研究所、亿利资源集团有限公司、中铁西北科学研究院有限公司、青藏铁路公司、敦煌研究院完成的“风沙灾害防治理论与关键技术应用”项目面向国家风沙灾害与沙漠化防治的迫切需求，系统开展了风沙灾害防治理论研究与关键技术研发应用，取得了一系列理论创新和技术集成创新成果。该成果获得2018年度国家科技进步奖二等奖。
中国科学院寒区旱区环境与工程研究所所长王涛介绍，在创新性理论方面，项目系统识别了中国风沙危害的类型、程度与成因，建立了风沙危害评估方法并给出其时空格局量化结果；阐明了风沙危害的物理学与生物学耦合机理；形成了防沙治沙的恢复生态学理论；总结完善了防沙治沙理论体系，发展了中国风沙防治工程学。
“在创新性技术方面，项目团队研发了半干旱沙区裸露创面快速稳定恢复技术体系；创新了干旱沙区植被稳定建植的流沙固定技术与模式；研发了极端干旱区自然文化遗产保护修复治理关键技术体系；研发了寒旱区铁路风沙灾害防治的关键技术体系；创新了风沙防治产业化技术体系和模式；创新了政府扶持、企业主导、科技支撑、农牧民参与的‘政产学研用’一体化的防沙治沙新机制，形成了风沙防治产业化技术体系和‘库布其模式’。”王涛说。
青藏铁路综合风沙防治体系建成后，消除了因风沙危害造成的停车事故，保证了线路的安全运营；敦煌莫高窟风沙危害综合防护体系建成后，窟前积沙减少了80%以上，风沙灾害得到有效治理，保护了莫高窟世界文化遗产；鸣沙山月牙泉的风沙流场恢复与沙害防治措施，使月牙泉免遭沙埋，促成该景区成功申报为国家5A级风景名胜区和世界地质公园。项目完成单位在风沙灾害防治实践中实现农牧民就业扶贫，带动库布其沙漠、科尔沁沙地、腾格里沙漠周边民众脱贫超过5万人。迄今为止，该项目通过示范推广新技术和新模式100多万公顷，已取得直接经济效益超过300亿元。
脑部起搏器 让帕金森病患者“重启”健康人生
心脏起搏器，相信大家都听说过，但对于脑起搏器，恐怕就比较陌生了。脑起搏器有什么作用，难道大脑也需要“起搏”？
“脑起搏器也称为脑深部刺激器，它是一种直接作用于神经中枢的装置，主要用来治疗帕金森病等神经系统疾病。”清华大学航天航空学院航空宇航工程系教授、神经调控技术国家工程实验室主任李路明说。
帕金森病等神经系统疾病严重危害患者健康，也给患者家庭、社会带来沉重的负担。据估计，到2030年，我国的帕金森病患者人数将占到全球患者总数的一半。通过植入电极直接刺激大脑，脑起搏器可以显著改善患者的生活质量，是高端医疗器械的典型代表。
脑起搏器技术难度大，一直被美国独家垄断。由李路明领衔的“脑起搏器关键技术、系统与临床应用”项目历经17年，通过医工融合自主突破核心技术，打破垄断，并通过原创的理论、方法和技术，实现全球引领；原创变频刺激疗法和变频脑起搏器，解决了帕金森病晚期步态障碍治疗的世界难题；实现体外无线充电的“零灼伤”，全球首次实现脑起搏器10年以上的质保寿命；创新电极技术和手术方法，解决了头颈运动引起电极断裂的临床难题；首创安全可靠的远程程控技术，解决了异地患者术后返诊难题。
“尤为值得一提的是，产品疗效显著，平均为每名患者节省10万元。2017年国内市场占比达60%，而且出口英国等4个国家。”李路明说。正因如此，该项目获得2018年度国家科技进步奖一等奖。
肺癌微创治疗 部分手术可实现24小时出入院
肺癌是癌症中的头号杀手，我国肺癌年死亡病例61万，近30年发病率上升465%。“外科切除是根治早中期肺癌的关键，但手术技术亟须提高，手术规范、围术期治疗等方面亟待完善。”广州医科大学附属第一医院院长何建行说。
如何因人制宜制定手术方案，实现精准切除？这是何建行经常思考的问题。由其牵头的“肺癌微创治疗体系及关键技术的研究与推广”项目获2018年度国家科技进步奖二等奖。为实现微创治疗，课题组首先通过建立4种高选择自主呼吸麻醉模式减少了肌松药物及机械通气的副作用，然后通过建立7种微创手术切口、6种精准微创切除—重建手术模式，实现了因瘤、因人制宜的精准手术体系，通过上述手术技术的研发，使微创手术适用范围提高到95%以上，同时提高远期生存率6%，并发症率减少60%，并革命性地将部分极早期肺癌的手术进化为24小时出入院的日间手术。
“与此同时，项目还首次在国际上规范并细化了早期肺癌3种切除方式的选择标准，同时明确了早期肺癌手术的淋巴结清扫数目，为手术质控提供了关键量化标准，用以指导我国早期肺癌微创手术的临床路径与精准切除。从而显著提高了我国早中期肺癌的疗效。”何建行说。
耳聋诊断芯片 避免人间无声悲剧上演
有数据显示，听力障碍已成我国第二大出生缺陷疾病。我国现有听力残疾人2054万，其中0—6岁儿童超过80万人，且每年新增3万聋儿。在治疗方面，除昂贵的人工耳蜗植入外，重度耳聋尚无法治疗。
“因此，早期诊聋防聋至关重要。研究表明，约有60%重度耳聋是因为遗传因素导致。正常人中约5%的耳聋基因携带率，是造成成人后天耳聋和生育下一代聋儿的主要原因。然而，传统的耳聋筛查和诊断技术操作繁琐、通量低，且难以发现迟发性耳聋和药物致聋敏感人群。”中国工程院院士、清华大学医学院教授程京说。所以，迫切需要一款高精度、高灵敏度、高通量、低成本的新型基因突变检测技术及配套设备，以实现规模化预防耳聋。
由清华大学、中国人民解放军总医院和博奥生物集团有限公司联合研发的“遗传性耳聋基因诊断芯片系统的研制及其应用”项目，发明了多重等位基因特异性扩增及通用芯片技术，并在此基础上研制出全球首款耳聋基因诊断芯片，可同时检测4个最常见致聋基因上的9个突变热点，使我国成为国际上规模最大的对遗传病进行分子筛查的国家。
该项目目前已推广到全国包括台湾在内的30余个省市及越南等地，并已在20个省市纳入政府民生工程。截至2018年底，全国接受遗传性耳聋基因筛查的新生儿数量超过300万，检出总突变率为4.4%，其中药物致聋基因携带者就有8000多人，直接避免了受检者和家庭成员约8万多人因使用药物不当而致聋。该项目荣获2018年度国家技术发明奖二等奖。