科學(xué)儀器 硬核利器（科技瞭望）

       工欲善其事，必先利其器。從深空探測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)檢測到新材料的研發(fā)突破，每一項科技成果的背后，都離不開科學(xué)儀器的堅實支撐。中國科研人正以“實干見物”的精神，書寫著屬于這個時代的“新天工開物”。

　　近日，一場屬于中國科學(xué)儀器的“成果秀”在國家科技傳播中心拉開帷幕，3項經(jīng)中國儀器儀表學(xué)會推薦的創(chuàng)新成果集中亮相。

　　“我國的科學(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)到與國際并跑的水平，經(jīng)歷了艱難歷程�！敝袊�科學(xué)院院士、發(fā)展中國家科學(xué)院院士高鴻鈞說，“近年來我國科學(xué)儀器與國際頂尖水平差距越來越小，追趕的速度非常令人鼓舞�！�

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　　太空生命科學(xué)儀器

　　打造空間生命研究的“中國平臺”

　　在我國空間站問天實驗艙的靜謐空間內(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，之所以能在太空實現(xiàn)，離不開太空生命科學(xué)實驗系統(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、驗證地球生物太空生存可行性、搜尋地外生命。生命科學(xué)實驗對無菌、溫控、氣體環(huán)境等有著近乎苛刻的要求，然而，太空并非友善的實驗室。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)動原位觀測+自動化精準(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驗平臺。該系統(tǒng)于2022年7月24日隨問天實驗艙發(fā)射入軌，迄今已支持完成40余項空間生命科學(xué)任務(wù)，推動我國空間生命科學(xué)研究從“簡單單項實驗”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)。植物需要光照與營養(yǎng)液，細(xì)胞渴望恒溫與無菌，昆蟲依賴穩(wěn)定的氣體比例�！拔覀円�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)境潔凈達(dá)標(biāo)。”發(fā)布會上，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所二級研究員張濤介紹，團(tuán)隊通過跨學(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。

　　原位觀測是第二道門檻。在地面，科學(xué)家可以隨時取出樣本進(jìn)行觀察；但在太空，所有觀測必須在密閉容器中自動完成。為此，項目團(tuán)隊開發(fā)了多模態(tài)顯微成像系統(tǒng)，集成明場、熒光與激光共聚焦等功能模態(tài)，并賦予其“自主搜索”能力。借助智能算法，顯微鏡能在微米精度下自動搜索并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)械自動化。團(tuán)隊通過流體仿真與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，設(shè)計出“緩慢推注擴(kuò)散”式液體交換系統(tǒng)，以新液緩慢推動舊液，既完成更換，又避免損傷樣本�！懊恳粋�動作都靠程序精準(zhǔn)控制，最大限度減少誤差�！睆垵�說。

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

　　如今，問天實驗艙科研人員已在國際上率先實現(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16天的世界紀(jì)錄，為構(gòu)建長期太空生態(tài)循環(huán)奠定了基礎(chǔ)；構(gòu)建國際首個“微重力—亞磁”復(fù)合環(huán)境實驗平臺，成功實現(xiàn)果蠅在軌傳代繁殖實驗。

　　從早期的“黑盒子”式單一實驗裝置到“太空實驗室”，從單一實驗到系統(tǒng)平臺，中國空間生命科學(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地�！�

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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)奧秘并完成探測，更能實現(xiàn)單原子的操控，因而廣泛應(yīng)用于物理、材料、化學(xué)、量子科技等領(lǐng)域。

　　過去，我國高端的掃描探針顯微鏡系統(tǒng)長期依賴進(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開爾文約等于零下269.15攝氏度）及以下極低溫環(huán)境。這就不得不進(jìn)口昂貴的液氦并頻繁加注，不僅拉高成本、降低實驗效率，有時甚至?xí)��?dǎo)致實驗失敗。

　　針對這一問題，中國科學(xué)院物理研究所郇慶團(tuán)隊歷經(jīng)10余年攻關(guān)，采用原創(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，實現(xiàn)關(guān)鍵性能指標(biāo)國際領(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。”中國科學(xué)院物理研究所納米物理與器件實驗室副主任郇慶說，然而，由于掃描探針顯微鏡系統(tǒng)對震動水平要求極為嚴(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)。

　　對此，研發(fā)團(tuán)隊另辟蹊徑地提出了“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，然后對儀器進(jìn)行降溫，讓它像冰箱和空調(diào)里的氟利昂一樣反復(fù)使用，既能長時間穩(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)家開展長時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)隊的努力已經(jīng)收獲回報，無液氦亞3K低溫掃描探針顯微鏡系統(tǒng)已在國內(nèi)多所高校得到推廣應(yīng)用，產(chǎn)出多項前沿成果，成為我國納米科學(xué)等前沿領(lǐng)域里一項自主可控的尖端研究工具。

　　目前，團(tuán)隊正在攻關(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。很多事情長期積累才能產(chǎn)出好成果。”

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　　芯片陶瓷封裝基板視覺檢測技術(shù)

　　微納米級缺陷檢測煉就“火眼金睛”

　　芯片作為現(xiàn)代電子設(shè)備的核心，驅(qū)動著從智能手機(jī)到超級計算機(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。“如果說芯片是高樓大廈，那么封裝基板就是大廈的供電、供水、供暖系統(tǒng)和地基�！睎|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)院教授于瑞云形象地比喻道。

　　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，且對缺陷檢測精度要求極高——需要快速、精準(zhǔn)識別微米級甚至百納米級缺陷。長期以來，國內(nèi)陶瓷封裝基板主要依賴人工檢測，不僅主觀依賴性強(qiáng)、檢測標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，效率也相對低下，難以滿足高精度、規(guī)�；�生產(chǎn)的需求。

　　受限于缺陷樣本數(shù)量少、缺陷種類復(fù)雜等難點，高精度、標(biāo)準(zhǔn)化的視覺檢測難以實現(xiàn)，并對現(xiàn)有算法的精度、泛化性和通用性提出了巨大挑戰(zhàn)。此前，封裝基板高端檢測裝備技術(shù)長期被國外壟斷，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈在這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)受制于人，成為中國集成電路產(chǎn)業(yè)升級的“瓶頸”。

　　東北大學(xué)于瑞云教授團(tuán)隊針對上述難點及挑戰(zhàn)，自主研發(fā)了“芯片陶瓷封裝基板視覺檢測技術(shù)”，結(jié)合人工智能、計算機(jī)視覺、工業(yè)軟件、智能制造等前沿科技，實現(xiàn)了對微納米級缺陷的智能識別與精準(zhǔn)分類。

　　針對“巧婦難為無米之炊”的數(shù)據(jù)困境，于瑞云教授率領(lǐng)團(tuán)隊走進(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)采集工作。經(jīng)過近兩年的努力，團(tuán)隊累計采集超14萬個數(shù)據(jù)樣本，并在數(shù)據(jù)集基礎(chǔ)上開發(fā)了兩個AI大模型——“青闕”工業(yè)產(chǎn)品表面缺陷檢測大模型與“玉瑕”缺陷樣本生成大模型，在智能缺陷檢測和缺陷樣本生成方面取得重要突破。

　　此外，團(tuán)隊還自主設(shè)計研制了芯片陶瓷封裝全系列關(guān)鍵工藝缺陷檢測設(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”生萬象，微米之間顯真章。這兩個擁有詩意名字的國產(chǎn)大模型，不僅為芯片陶瓷封裝基板視覺檢測鑄就了“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)力推動我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的生動案例，為未來中國智造自主儀器設(shè)備研發(fā)開拓了新的可行路徑。

編輯：金文婕

審核：王仕偉

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