工欲善其事，必先利其器。從深空探測(cè)的星際遙望到微觀世界的原子探秘，從生物醫(yī)藥的精準(zhǔn)檢測(cè)到新材料的研發(fā)突破，每一項(xiàng)科技成果的背后，都離不開科學(xué)儀器的堅(jiān)實(shí)支撐。中國(guó)科研人正以“實(shí)干見物”的精神，書寫著屬於這個(gè)時(shí)代的“新天工開物”。

　　近日，一場(chǎng)屬於中國(guó)科學(xué)儀器的“成果秀”在國(guó)家科技傳播中心拉開帷幕，3項(xiàng)經(jīng)中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)推薦的創(chuàng)新成果集中亮相。

　　“我國(guó)的科學(xué)儀器，從零基礎(chǔ)到跟蹤模仿，到現(xiàn)在部分高端儀器達(dá)到與國(guó)際並跑的水平，經(jīng)歷了艱難歷程。”中國(guó)科學(xué)院院士、發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士高鴻鈞說，“近年來我國(guó)科學(xué)儀器與國(guó)際頂尖水平差距越來越小，追趕的速度非常令人鼓舞?！?/p>

　　

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　　太空生命科學(xué)儀器

　　打造空間生命研究的“中國(guó)平臺(tái)”

　　在我國(guó)空間站問天實(shí)驗(yàn)艙的靜謐空間內(nèi)，水稻抽穗、魚兒游弋、細(xì)胞增殖……在地球上司空見慣的這些生命圖景，之所以能在太空實(shí)現(xiàn)，離不開太空生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的支撐。

　　作為人類探索生命與宇宙奧秘的前沿領(lǐng)域，空間生命科學(xué)聚焦3大方向：探究生命起源、驗(yàn)証地球生物太空生存可行性、搜尋地外生命。生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)無菌、溫控、氣體環(huán)境等有著近乎苛刻的要求，然而，太空並非友善的實(shí)驗(yàn)室。微重力、強(qiáng)輻射、高真空、極端溫差等極端環(huán)境，加之航天器內(nèi)極為有限的空間和資源，都是難以跨越的“攔路虎”。

　　難題如何破解？中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所打造的“太空生命科學(xué)儀器”，以“密閉生命支持+AI驅(qū)動(dòng)原位觀測(cè)+自動(dòng)化精準(zhǔn)操控”為核心技術(shù)鏈，構(gòu)建起高功能密度集成一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該系統(tǒng)於2022年7月24日隨問天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射入軌，迄今已支持完成40余項(xiàng)空間生命科學(xué)任務(wù)，推動(dòng)我國(guó)空間生命科學(xué)研究從“簡(jiǎn)單單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)”邁入“復(fù)雜系統(tǒng)研究”階段。

　　“太空生命科學(xué)儀器”首先攻克的是“生命支持”難關(guān)。植物需要光照與營(yíng)養(yǎng)液，細(xì)胞渴望恆溫與無菌，昆蟲依賴穩(wěn)定的氣體比例。“我們要熟悉每種生物的習(xí)性，確保它們接觸的材料無毒無害、生存環(huán)境潔淨(jìng)達(dá)標(biāo)?！卑l(fā)布會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所二級(jí)研究員張濤介紹，團(tuán)隊(duì)通過跨學(xué)科協(xié)作，與生物學(xué)家反復(fù)溝通，為每種生物量身定制了生存方案。

　　原位觀測(cè)是第二道門檻。在地面，科學(xué)家可以隨時(shí)取出樣本進(jìn)行觀察﹔但在太空，所有觀測(cè)必須在密閉容器中自動(dòng)完成。為此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)了多模態(tài)顯微成像系統(tǒng)，集成明場(chǎng)、熒光與激光共聚焦等功能模態(tài)，並賦予其“自主搜索”能力。借助智能算法，顯微鏡能在微米精度下自動(dòng)搜索並定位懸浮液體中的細(xì)胞，回傳圖像供地面科學(xué)家遠(yuǎn)程確認(rèn)觀測(cè)目標(biāo)。

　　精細(xì)操控是第三重挑戰(zhàn)。微重力環(huán)境下，氣體、液體的行為與在地面差異極大。以細(xì)胞培養(yǎng)換液為例，在地面上通過離心與傾倒即可完成，在太空則需要完全依賴機(jī)械自動(dòng)化。團(tuán)隊(duì)通過流體仿真與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出“緩慢推注擴(kuò)散”式液體交換系統(tǒng)，以新液緩慢推動(dòng)舊液，既完成更換，又避免損傷樣本?！懊恳粋€(gè)動(dòng)作都靠程序精準(zhǔn)控制，最大限度減少誤差。”張濤說。

　　針對(duì)航天器空間有限、資源寶貴的問題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)採(cǎi)用“共享平臺(tái)+定制單元”設(shè)計(jì)：將顯微鏡、溫控、氣體控制等公用設(shè)備集中整合，實(shí)驗(yàn)專屬需求則融入標(biāo)準(zhǔn)化個(gè)性化單元。這種模式既避免資源浪費(fèi)，又適配多種實(shí)驗(yàn)，大幅提升了資源利用率。

　　如今，問天實(shí)驗(yàn)艙科研人員已在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)水稻“從種子到種子”全生命周期空間培養(yǎng)，為未來太空糧食作物種植提供了重要依據(jù)﹔創(chuàng)建43天密閉“魚—藻”水生生態(tài)系統(tǒng)，打破德國(guó)16天的世界紀(jì)錄，為構(gòu)建長(zhǎng)期太空生態(tài)循環(huán)奠定了基礎(chǔ)﹔構(gòu)建國(guó)際首個(gè)“微重力—亞磁”復(fù)合環(huán)境實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，成功實(shí)現(xiàn)果蠅在軌傳代繁殖實(shí)驗(yàn)。

　　從早期的“黑盒子”式單一實(shí)驗(yàn)裝置到“太空實(shí)驗(yàn)室”，從單一實(shí)驗(yàn)到系統(tǒng)平臺(tái)，中國(guó)空間生命科學(xué)儀器走過了一條從無到有、從弱到強(qiáng)的攀登之路。張濤說：“仰望星空，我們的征途是星辰大海，但每一步都必須腳踏實(shí)地?！?/p>

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　　無液氦亞3K低溫掃描探針顯微鏡系統(tǒng)

　　創(chuàng)新高端科研儀器的“中國(guó)方案”

　　在納米科學(xué)研究中，掃描探針顯微鏡系統(tǒng)是不可或缺的高端儀器。在原子、分子尺度上，它就像科研人員的眼睛和手，既能“看清”物質(zhì)奧秘並完成探測(cè)，更能實(shí)現(xiàn)單原子的操控，因而廣泛應(yīng)用於物理、材料、化學(xué)、量子科技等領(lǐng)域。

　　過去，我國(guó)高端的掃描探針顯微鏡系統(tǒng)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口。而且傳統(tǒng)的低溫掃描探針顯微鏡系統(tǒng)常常需要借助液氮、液氦等制冷劑，創(chuàng)造滿足系統(tǒng)高性能運(yùn)行所需的4K（4開爾文約等於零下269.15攝氏度）及以下極低溫環(huán)境。這就不得不進(jìn)口昂貴的液氦並頻繁加注，不僅拉高成本、降低實(shí)驗(yàn)效率，有時(shí)甚至?xí)?dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

　　針對(duì)這一問題，中國(guó)科學(xué)院物理研究所郇慶團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)10余年攻關(guān)，採(cǎi)用原創(chuàng)的遠(yuǎn)端液化制冷技術(shù)，研發(fā)出無液氦亞3K低溫掃描探針顯微鏡，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵性能指標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先。

　　“氦是不可再生資源，無液氦制冷技術(shù)已成為未來發(fā)展的重要方向。”中國(guó)科學(xué)院物理研究所納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室副主任郇慶說，然而，由於掃描探針顯微鏡系統(tǒng)對(duì)震動(dòng)水平要求極為嚴(yán)苛，使得閉循環(huán)無液氦制冷技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

　　對(duì)此，研發(fā)團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑地提出了“分離式”遠(yuǎn)端制冷方案。將制冷機(jī)安裝在遠(yuǎn)端，使用少量氦氣密封循環(huán)當(dāng)作制冷劑，通過壓縮機(jī)將氦氣冷卻、液化，然后對(duì)儀器進(jìn)行降溫，讓它像冰箱和空調(diào)裡的氟利昂一樣反復(fù)使用，既能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定維持3K（約零下270.15攝氏度）以下低溫環(huán)境，又不消耗液氦，為科學(xué)家開展長(zhǎng)時(shí)間前沿探索提供了有利條件，更大幅降低了運(yùn)行成本。

　　團(tuán)隊(duì)的努力已經(jīng)收獲回報(bào)，無液氦亞3K低溫掃描探針顯微鏡系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)多所高校得到推廣應(yīng)用，產(chǎn)出多項(xiàng)前沿成果，成為我國(guó)納米科學(xué)等前沿領(lǐng)域裡一項(xiàng)自主可控的尖端研究工具。

　　目前，團(tuán)隊(duì)正在攻關(guān)更低溫度、更多拓展功能的掃描探針顯微鏡設(shè)備。談及對(duì)青年科研者的建議，郇慶說：“做科學(xué)研究要坐得住冷板凳，不要太急功近利。很多事情長(zhǎng)期積累才能產(chǎn)出好成果?！?/p>

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　　芯片陶瓷封裝基板視覺檢測(cè)技術(shù)

　　微納米級(jí)缺陷檢測(cè)煉就“火眼金睛”

　　芯片作為現(xiàn)代電子設(shè)備的核心，驅(qū)動(dòng)著從智能手機(jī)到超級(jí)計(jì)算機(jī)的數(shù)字設(shè)備。鮮為人知的是，所有芯片都離不開一個(gè)關(guān)鍵部件——封裝基板，它不僅能夠承載、保護(hù)芯片，為芯片散熱、供能，還是連接芯片與其他電子器件的電氣通道?！叭绻f芯片是高樓大廈，那麼封裝基板就是大廈的供電、供水、供暖系統(tǒng)和地基。”東北大學(xué)信息化建設(shè)與網(wǎng)絡(luò)安全辦公室主任、軟件學(xué)院教授於瑞雲(yún)形象地比喻道。

　　陶瓷材質(zhì)的封裝基板，是大功率、高溫及高頻器件封裝的首選，其制造工藝復(fù)雜，且對(duì)缺陷檢測(cè)精度要求極高——需要快速、精準(zhǔn)識(shí)別微米級(jí)甚至百納米級(jí)缺陷。長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)陶瓷封裝基板主要依賴人工檢測(cè)，不僅主觀依賴性強(qiáng)、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，效率也相對(duì)低下，難以滿足高精度、規(guī)?；a(chǎn)的需求。

　　受限於缺陷樣本數(shù)量少、缺陷種類復(fù)雜等難點(diǎn)，高精度、標(biāo)準(zhǔn)化的視覺檢測(cè)難以實(shí)現(xiàn)，並對(duì)現(xiàn)有算法的精度、泛化性和通用性提出了巨大挑戰(zhàn)。此前，封裝基板高端檢測(cè)裝備技術(shù)長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈在這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)受制於人，成為中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)升級(jí)的“瓶頸”。

　　東北大學(xué)於瑞雲(yún)教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述難點(diǎn)及挑戰(zhàn)，自主研發(fā)了“芯片陶瓷封裝基板視覺檢測(cè)技術(shù)”，結(jié)合人工智能、計(jì)算機(jī)視覺、工業(yè)軟件、智能制造等前沿科技，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微納米級(jí)缺陷的智能識(shí)別與精準(zhǔn)分類。

　　針對(duì)“巧婦難為無米之炊”的數(shù)據(jù)困境，於瑞雲(yún)教授率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)走進(jìn)芯片陶瓷封裝基板頭部企業(yè)，深入產(chǎn)業(yè)一線，開展大規(guī)模數(shù)據(jù)採(cǎi)集工作。經(jīng)過近兩年的努力，團(tuán)隊(duì)累計(jì)採(cǎi)集超14萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)樣本，並在數(shù)據(jù)集基礎(chǔ)上開發(fā)了兩個(gè)AI大模型——“青闕”工業(yè)產(chǎn)品表面缺陷檢測(cè)大模型與“玉瑕”缺陷樣本生成大模型，在智能缺陷檢測(cè)和缺陷樣本生成方面取得重要突破。

　　此外，團(tuán)隊(duì)還自主設(shè)計(jì)研制了芯片陶瓷封裝全系列關(guān)鍵工藝缺陷檢測(cè)設(shè)備與生產(chǎn)管控系統(tǒng)。目前，相關(guān)成果已在多家企業(yè)落地應(yīng)用，顯著提升了良品率與產(chǎn)線智能化水平。

　　“青闕”見微芒，“玉瑕”生萬(wàn)象，微米之間顯真章。這兩個(gè)擁有詩(shī)意名字的國(guó)產(chǎn)大模型，不僅為芯片陶瓷封裝基板視覺檢測(cè)鑄就了“火眼金睛”，還打通了“數(shù)據(jù)—算法—軟件—設(shè)備—系統(tǒng)”一體化的研究體系，成為新質(zhì)生產(chǎn)力推動(dòng)我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的生動(dòng)案例，為未來中國(guó)智造自主儀器設(shè)備研發(fā)開拓了新的可行路徑。

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