这些“黑科技”是怎样炼成的？ ——“专精特新”企业一线观察

　　航空发动机叶片这颗“皇冠上的明珠”如何摘得？“超级细胞工厂”如何孕育出构建万物的材料？“既柔又刚”的摇臂如何在手术台上大显身手？ 近年来，越来越多掌握“黑科技”的“专精特新”企业成为中国制造的重要支撑。数据显示，我国已累计培育专精特新“小巨人”企业1.2万余家、专精特新中小企业超9.8万家。近期，走进北京几家掌握“黑科技”的专精特新企业，一窥他们的科技创新能力和广阔发展潜力。 天空上的叶片 航空发动机制造技术被称为“制造业的皇冠”，而单晶涡轮叶片制造技术则是“皇冠上的明珠”。长期以来，能制造新型航空发动机的只有美、英、法、俄等少数国家。 欲戴“皇冠”，必承其重：托起重达百吨的大飞机遨游天空，航空发动机要提供巨大推力，其动力之源的涡轮叶片每秒转速300多转，承受的离心力相当于叶片本身质量的1万倍，相当于一个涡轮叶片挂着5辆小轿车。 这样的高速转动，涡轮叶片工作温度达1700多摄氏度，钢铁都可轻松熔化。涡轮叶片却需要在这样复杂的交变载荷、极端的工作条件下，长时间稳定、可靠、安全地工作。 长期以来，这类巧夺天工的技艺，其大批量、高质量、高效率、高合格率、高一致性地加工制造是世界性难题。 如今，我国企业靠着自己研制的国际领先的电加工设备和数字孪生技术，得以成批量生产。在北京汉飞航空科技有限公司单晶涡轮叶片生产线上看到，一百多台多轴电火花高速穿孔机床正紧锣密鼓地自动加工，透过防护窗看到，由机床自动控制的电火花在叶片表面舞动，机器人穿梭在机床、垛料区和检验区之间。在控制室，工厂自研的数字孪生技术将实时数据显示在屏幕上，气膜孔自适应加工指令由此下达。 “这是一个单晶涡轮叶片，是新型航空发动机和燃汽轮机的关键核心部件，是‘动力之源’，而我们汉飞公司的工作就像给飞机发动机装空调，给单晶涡轮叶片造‘毛细血管’，给涡轮叶片起到冷却降温作用。”北京汉飞航空科技有限公司负责人指着一个手掌大小的金属部件介绍。 一片单晶涡轮导向叶片上拥有几百乃至上千个轴线方向、出入口角度不一，位置非均匀分布、形状不一的气膜孔，而且叶片内部还有复杂的冷却系统，加工气膜孔时不能碰伤到内腔内壁，如果打孔时有一丝偏差，涡轮叶片在高温高速工况下就会烧毁，飞机就可能掉下来。 “一台飞机发动机的涡轮叶片需加工多达几万个气膜孔，犹如‘螺蛳壳里做道场’，必须确保每个气膜孔都严格按设计加工。”汉飞公司负责人说。 “成百上千个小孔喷出冷却气体，形成气膜，把叶片包裹起来，才能将燃烧室高温气体与叶片表面隔开。因此，气膜孔加工质量是影响单晶涡轮叶片合格率、冷却效率和工作寿命的关键环节。”汉飞公司负责人说。 公司负责人介绍，他们通过单晶涡轮叶片气膜孔数字化加工技术和自主研发的装备，开拓了在新型航空发动机和燃气轮机等多个尖端领域的应用，不仅解决了我国航空发动机和燃气轮机核心部件涡轮叶片大批量产的瓶颈，更打破了国际先进装备制造的技术壁垒，这也标志着我国一举摘下这颗“皇冠上的明珠”。 “从底层基本算法、工业软件、数控系统、三维测量和建模系统，到多轴数控电加工机床和智能生产线，都是我们自己研制的，拥有自主知识产权。”公司负责人说，科研人员经过数十年探索和钻研，使得单晶涡轮叶片加工合格率达到国际领先水平。 中国商飞预测，2021年至2040年中国航空市场需要新添50座级以上客机9084架，价值约1.4万亿美元。 “国产大飞机运营为我国航空制造业带来了巨大机遇，我们要紧抓机遇，让搭载自主发动机的国产大飞机翱翔云天。”汉飞公司负责人说。 细胞里的工厂 一个细胞能干什么？ 在北京市顺义区中德产业园的一间实验室里，科研人员把乳白色的物质加入装有淀粉的大型发酵罐中。40多个小时后，发酵罐里“长”出了大量粉状的可用于生产塑料薄膜的PHA（聚羟基脂肪酸酯）材料。 3D打印玩偶、感光衣……PHA制作而成的制品能广泛应用于生物材料、纺织、农业和医药等领域。因为PHA在海水和土壤中都可快速自然降解，目前这一产品已经出口到美国、欧盟等地。 “这些乳白色的物质是细菌菌体形成的菌落，每一个菌体都是一个‘超级细胞工厂’。”清华大学合成与系统生物学中心主任陈国强教授告诉。 2003年，陈国强领导的科研团队在中国新疆的艾丁湖发现了这种“神奇微生物”：它能在几乎无水、200克/升盐浓度、温差近100度的极端环境下生存。任何其他微生物在它生长的环境下都几乎无法存活，因此它具有天然的“免疫力”，可在开放、无灭菌的环境下被直接培养。 这种超级细胞，就成为细胞工厂的绝佳“生物底座”。 人们生活中大量的塑料、服饰、医疗等产品，大都由传统化工产业生产，不仅高耗能、耗水，而且不易降解，对自然不友好。用生物技术来合成人类生活所需的工业产品，成为未来产业发展的重要方向。 专家介绍，合成生物学是生物学、工程学、化学和信息技术等相互交叉融合的新兴领域，科学家借助基因技术改造生物体，使生物体成为高效细胞微工厂，对物质进行定向、高效、大规模的加工转化。因此，合成生物学被多国列入战略型新兴技术，被科学界称为“第三次生物技术革命”。 如果用普通的微生物来制造高分子材料，就必须用严格无菌的环境。经过20年研究，来自中国艾丁湖的微生物经过20多次迭代和基因改造，终于从实验室走到生产线，构建出可实现开放、无灭菌、连续培养的超级细胞工厂。 2022年，项目在北京顺义中德产业园顺利投产，“小细菌”来到新天地，得以产业化落地。 “和传统的化工生产线相比，我们的生产线显得过于简洁，这恰恰是优势。”微构工厂董事长徐绚明指着背后的生产线向介绍，因为不用传统化工产业的严格无菌、高压环境，对水和能源的消耗也降低50%以上。 徐绚明介绍，除PHA外，项目目前还能生产医药原料四氢嘧啶、化合物3-羟基丙酸、赖氨酸、淀粉酶等。微生物从实验室中走出来，成长为构建万物的材料，应用到人类生活，最终又无毒无害回归自然。 PHA的应用还不止于此。目前，科学家已经将PHA的一种产物——3-羟基丁酸（3HB）送上了太空，研究开发更有效的治疗骨质疏松的药物。 “我们将在太空微重力环境中研究3HB的成骨作用，为研制新的预防骨质疏松药物，提供可能。”陈国强教授介绍 在肉眼不可见的显微世界，合成生物学正在改变人类世界的未来。波士顿咨询公司预测，到本世纪末，合成生物学手段将广泛应用在占全球产出1/3以上的制造业。 中国科学界和企业也在行动。今年，由清华、北大等8所国内高校、研究院所的16个研究团队与16家合成生物产业链上下游企业联合发起的“合成生物技术与智能生物制造创新联盟”在北京成立，将在这场科技革命中踏浪弄潮。 手术台上的摇臂 患者手术路径被输入“大脑”后，机器人通过一个小切口将器械置入患者体内，精准避开患者的血管、神经，运动到指定位置后打孔。一台医疗机器人就这样辅助医生完成骨科手术，误差可达微米级，精准和微创大大降低了患者的痛苦。 过去的机器人很“刚”，能搬能抬，能抓能握；现在的机器人更“柔”，剥蛋壳、打针、缝合伤口等精细活儿都不在话下。这些灵巧聪明的机器人是怎样生产出来的？在北京顺义区的一家机器人工厂找到了答案。 医疗专用机械臂是手术机器人的核心零部件，直接决定手术机器人的操控精度和稳定性。完成一个灵敏的机械臂并非易事。巴掌大小的关键零部件精密排布着编码器、减速机和电路，这是机械臂成形的最小组件。不同规格的关节组成了机械臂的肩膀、手肘和手腕，再通过数据线和电路连接在一起，做成手臂的造型。 医疗机器人完成高精度作业的奥秘之一，就在于“手臂”定位准确、操控稳定、运动灵巧。 “各关节由独立的一体化关节单独驱动，配合高度灵敏的力矩传感器和机器视觉，在自研驱动算法控制下，机器人操作系统与外部设备协同，最终实现‘手脑眼’协同。”北京思灵机器人科技有限责任公司副总经理陈尉介绍，当前其自研的力矩传感器灵敏程度，相当于“感知一只蚊子落在手臂上的力道”。 拥有灵活敏捷的“手臂”和“身体”还不够，一台足够智能的机器人必须具备聪慧的“大脑”。 基于10多年的技术沉淀，思灵机器人集机器人操作系统、多模态感知、运动控制等核心技术于一身，已有100多项专利傍身，基本实现核心技术自研。 基于此，思灵机器人已参与了多项骨科手术、神经外科手术、腔镜手术，并将基础研究延伸至脑机接口应用领域。 “以前做完脊柱手术患者要10多天才能下床，现在经过微创手术一天就能下床，术后只留下几个口径数毫米的小孔，减少了术后并发症的发生。”陈尉表示，思灵已与多家医院、高校合作完成多项动物实验及临床手术。 目前，越来越智能的机器人广泛应用到骨科、神经外科、康复科等，胶囊内镜机器人、采血机器人、护理机器人等成为医生的“得力助手”。 前瞻产业研究院的报告显示，2017年至2021年，我国医疗机器人的市场规模增速均在20%以上。初步测算，2022年我国医疗机器人市场规模近百亿元。 这些机器人还为工业、农业、教育及服务等生产生活提供服务。在思灵机器人服务的一个现代化 创新技术不断迭代，数字化应用场景需求更多元，政策环境驱动为我国医疗机器人快速发展提供了广阔空间。2020年以来，广东、河北、上海、浙江等多地出台政策支持外骨骼机器人产业的发展；北京、上海等地将手术机器人纳入医保范畴；北京成立了第一家由政府主导的医疗机器人技术协同创新——北京医疗机器人产业创新中心…… 专家表示，未来随着医疗机器人与人工智能、脑际交互、5G、大数据等前沿技术深入融合，国产机器人产业将更加智能。 数据显示，我国已经培育了7万多家专精特新中小企业，其中专精特新“小巨人”企业8997家。去年新上市企业中，专精特新中小企业占了59%，累计已经有1300多家专精特新中小企业在A股上市，占A股上市企业总数的27%。 专精特新“小巨人”企业所处的领域千差万别，但灵魂都是创新。近三年，北京新设中小企业中，“科技型”占半数，超四成企业的核心技术产品填补国际国内空白。工信部数据显示，“小巨人”企业累计获得授权发明专利数14万余项。随着我国继续推进专精特新中小企业培育工作，一批批创新能力强的“小巨人”必将不断成长为真正的巨人。