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中国工程院外籍院士畅谈前沿工程科技

实验室资讯网时间:2018-06-02 点击: 百度搜索

【导读】从飞机噪音控制到削减风致灾害,从智能材料到大数据存储,从肿瘤治疗到厕所革命5月30日,在中国工程院第十四次院士大会全院学术报告会上,来自不同研究领域的6位中国工程院外籍院士,与在场院士分享、交流了一系列工程科技领域的前沿学术成果。 中国工程院外籍院士安道琳 从低噪音飞机到噪音控制 ......
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从飞机噪音控制到削减风致灾害,从智能材料到大数据存储,从肿瘤治疗到厕所革命……5月30日,在中国工程院第十四次院士大会全院学术报告会上,来自不同研究领域的6位中国工程院外籍院士,与在场院士分享、交流了一系列工程科技领域的前沿学术成果。

中国工程院外籍院士畅谈前沿工程科技

中国工程院外籍院士安道琳

从低噪音飞机到噪音控制

■本报见习记者 辛雨

提高潜水艇声呐系统的信噪比,轮胎与道路的相互作用,低污染燃烧与自适应有源燃烧控制…… 中国工程院外籍院士、英国皇家工程院院长安道琳作为这一系列研究的参与者,带来了许多新型应用,包括声呐系统的特种涂料、海洋石油勘探的新一代声学天线以及喷射引擎的燃烧控制等。

考虑到低噪音飞机的需求和重要性并没有得到足够的重视,安道琳带着这些新型应用,转回航空声学领域,进一步研究协和式超音速喷射客机和飞机噪声。

近年来,第二代涡轮喷气飞机使得民用飞机的噪声级有下降趋势,并且每乘客英里耗油量也逐渐减少。这不禁让人思考,从一张空白纸开始,有人可以设计一架在典型机场外面听不见声音的中程客机吗?

“这意味着声能降至约当前等级的0.3%。如果有可能设计这样一架“静音”飞机,与目前的和下一代飞机相比,其燃料如何燃烧和排放?”安道琳说。

因此,安道琳与40余位来自剑桥大学和麻省理工学院的研究人员合作,联合波音公司、劳斯莱斯、马歇尔、美国国家航空航天局(NASA)等公司机构,开展“低噪声飞机计划”。

低噪声飞机,指在白天城市环境下,飞机噪声可降低至背景值。安道琳在报告中介绍,研究起初分析了飞机起飞和进场时,传统式飞机噪声源(通风进气口、通风排气口、涡轮机、排气喷口等)的噪声等级,这有利于进一步计算每一个噪声来源的可降低程度。

接下来,通过低噪声飞机概念设计,以及低噪声促成技术,优化起飞推力管理,以移位阈限、低发动机转速缓慢、大角度进场。此外,利用低燃油消耗促成技术,以保证较低的能源使用量。 最后,预测噪声水平发现,在各种条件下,该静音飞机的噪声水平约低于现有机群噪声水平25EPNdB。安道琳表示,“低噪声飞机计划”预计将实现现有机群噪声的阶跃变化。“我们已经依此开发出一种新概念飞机,可以运载215名乘客用更少的燃油从北京飞到伦敦,更重要的是,这一航程中所产生的噪音水平急剧下降。”

“低噪声飞机计划”开发出新颖、超低噪声节能飞机的概念设计。安道琳形成了对管道火焰燃烧振荡的基本认识,证明了主动反馈控制是消除导致不稳定性的破坏性相互作用的一种有力方式。

表面顺应性、边界层和表面性质相结合形成的波导极大地改变测量场,进而显著降低近表面气流产生的声音。安道琳不仅率先明确了这些效应,而且阐明了如何通过适当选择表面涂层对其进行控制。

安道琳领导英国皇家工程院与中国工程院开展了一系列卓有成效的合作,包括创新、校企合作、战略新兴产业、先进制造业和全球重大挑战等领域。

“我努力实现那些曾经激励过我研究生涯的价值观,也以此来激励青少年向工程界发展,为工程界多作贡献。”安道琳说:“我认为学术与商业相衔接至关重要,这可以贡献更好的合作模式,将使合作研究的结果发生改变。艰巨的挑战也可以成为变革性研究的驱动者,我们需要更多更好的国际研究合作来迎接这共同的挑战。”

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中国工程院外籍院士田村幸雄

用全尺寸风暴模拟器降低灾害损失

■本报记者 倪思洁

5月30日,中国工程院第十四次院士大会全院学术报告会上,在作完简要的自我介绍后,国际风工程界的代表性人物、中国工程院外籍院士田村幸雄(Yukio Tamura)向在座听众展示了历年来全球经历的几次风灾。

1970年11月,孟加拉国东巴基斯坦的Bhora飓风造成50万人死亡,经济损失4.6亿美元。2005年8月,卡特里娜飓风袭击美国,造成2541人死亡和失踪,经济损失约在1000亿美元。2008年5月,缅甸发生了纳尔吉斯飓风,死亡和失踪人数达到138366人,经济损失100亿美元。2013年11月,海燕台风袭击了菲律宾,造成7986人死亡和失踪……

“自然灾害频繁发生,虽然我们无法预测它的规律,但为什么我们不采取长期应对措施?”田村幸雄说。

人类生活在大气边界层的范围内。在这一范围内出现的气流一般被称为风,而热带气旋等极强风将对基础设施和人员造成严重损害。甚至弱风或中等强度风也可能导致构筑物或建筑构件出现剧烈振动,并可能对人类社会造成严重的、长期且无形的环境影响,例如空气污染问题。

近年来,破坏性天气灾害、风暴和洪灾的发生频率日益增加,相关经济损失也显著增加。

“建筑物越来越高,桥梁越来越长,也因此越来越容易受到风力的影响。”田村幸雄说。

根据他的统计,从2005年到2014年,每年美国因自然灾害带来的经济损失是450亿美元,中国是270亿美元,日本是240亿美元。

他表示,为削减“与风力有关的灾害”的风险,并最终实现更安全、更稳固的社区,风力工程研究人员仍需解决许多新问题,“正如基于全球变暖和气候变化作出的假设,未来与风力有关的灾害风险将持续恶化”。

不过,长期致力于结构风工程研究的田村幸雄在研究过程中也发现,目前应对风致灾害的困难之处在于,对建筑物和构筑物抵御数百年或数千年一见的罕见破坏性事件的性能所开展的验证工作,仅仅基于对偶然发生的损害标志的模糊判断。

“这一过程就像在黑暗中摸索。”田村幸雄说。

他表示,风力工程师更感兴趣的是风力荷载评估,而非建筑物和构筑物的性能评估,因此采用缩比模型开展的风洞试验对其颇有助益。然而,缩比模型对构筑物的性能评估或极端风力和暴雨、降雪等其他气象要素的综合影响评估并无助益。

“不能让悲剧重演!我们需要准确评估建筑物与结构的抗风性能,尤其是覆层和构件系统的性能。”田村幸雄表示。

他建议,为削减灾害风险,有必要修建在受控条件下再现真实罕见事件的全尺寸风暴模拟器。

“全尺寸风暴模拟器可以对极其稀有的事件和现象进行全尺寸再现。”田村幸雄表示,用全尺寸风暴模拟器可以减少自然灾害中2%的经济损失,提升国家危机控制能力。

“我们投资今天,拯救明天。未来不应该是场悲剧,而应该是我们留给孩子的一份礼物!”田村幸雄说。

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中国工程院外籍院士顾敏

让大数据存储更绿、更快、更长久

■本报记者 李晨阳

“我们生活在大数据的时代。”中国工程院外籍院士、华裔澳大利亚科学院院士顾敏走上讲台,用一句看似老生常谈的话开始了他的报告。

随着计算机网络技术的迅猛发展,人类社会的信息量呈爆炸性增长。据互联网数据中心估算,到2020年信息量将超过40ZB,2025年达到162ZB,信息的产生速度远远超过数据的存储能力。

随着脑科学计划、引力波探测等大科学项目的推进,科研工作对长数据的需求也在不断增长,科技工作者们呼唤着更长寿命、更大容量的数据存储中心。

而人们为了储备更多信息,也付出了巨大的代价。中国数据中心2011年的耗电量,就相当于三峡大坝全年的发电量。以目前的增速计算,短短10年后,全球的石油产能都不能满足数据存储的耗电需求。

这是顾敏等科学家面临的艰难挑战,也是摆在全人类面前的严峻问题。

传统大数据中心由数千个硬盘阵列组成,采用低存储密度的电子或磁存储介质,占用空间广、能源消耗高、速度受限多、安全隐患大。为了保障数据安全,硬盘阵列还须每3到5年备份一次,这更进一步增加了资源的耗费。

革新的关键在于存储介质的升级。顾敏说:“我们的解决方案是纳米光电子。”

1873年, 德国物理学家恩斯特·阿贝发现了著名的“衍射极限”,奠定了现代光学成像器件及光存储的基础,同时也将DVD及蓝光技术的存储密度制约在5GB到25GB的物理瓶颈。

从那以后,如何突破衍射极限的屏障,就是一代代科学家奋斗的目标。上世纪90年代,斯特凡·赫尔等科学家就利用荧光分子规避了衍射极限,获得超高分辨率荧光显微镜,并凭此成果斩获了2014年的诺贝尔奖。

人们所熟知的光盘也面临着同样的玻璃天花板。为了让光盘体积更小、容量更大、属性更“绿”,顾敏和他的同事们从未停下钻研的步伐。

2009年,顾敏团队首次在纳米材料中实现了五维光存储,突破了蓝光DVD三维存储的技术瓶颈;2013年,顾敏团队发明了突破性的SPIN技术,在体积不变的情况下让存储量急剧增大。一张SPIN光盘的容量相当于10000张DVD。

经过不懈的攻坚克难,顾敏团队终于实现了单盘PB容量的绿色光子存储技术,储存能力是蓝光技术的40万倍。也就是说,原来百米尺度的PB级数据中心,现在用一张10厘米尺度的光盘就能代替,节约大量基础设施料和90%以上的能耗。这让EB级甚至ZB级的大数据中心不再是天方夜谭。

这一成果问世后,顾敏和同事们由衷感叹:“我们迎来了新纪元。”他们相信,PB容量绿色光子存储技术的发展,将掀起信息技术领域的新革命, 开启一个可持续发展的大数据时代,为建设更加绿色、更大容量、更高速度的全光光子大数据中心奠定基础。

在报告中,顾敏特别提到了自己与中国科学家的一系列合作。他还表示自己有一个梦想,让中国的每一个县都拥有光学数据中心。“中国有约3000多个县,这是一个巨大的市场。”顾敏说。

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中国工程院外籍院士尼古拉斯·佩帕斯

为生物医学设计智能材料

■本报记者 李晨阳

“1992年的12月,一场疾病改变了我的人生。”报告中,中国工程院外籍院士、美国国家工程院院士尼古拉斯·佩帕斯分享了自己的一段经历。当时他病痛难忍,无法行走,直到一种叫作β干扰素的生物活性物质注射进他的肌肉后,他的身体状况才得到好转。

“就是从那时起,我意识到了生物医学这一领域的重要性。”他说。

在佩帕斯看来,人们正生活在医学发展史上最为激动人心的时代。先进的生物医学材料、改良的生物分子、先进的医疗器材都在提高患者的生命质量;各种新兴的技术、理念、方法乃至医疗系统,都让“治病”这件事变得更加个性化,可以针对每一位个体设计不同的治疗方案。

在越来越先进的生物医学解决方案中,高级生物材料的重要性不断凸显。

“我在麻省理工学院获得硕士学位那年,最关注的就是植入身体的材料必须无毒无害。”佩帕斯说。然而随着这一学科的迅猛发展,他发现无毒无害只是最基础的要求。这些材料能否被人体免疫系统接受?能不能尽快被人体代谢降解?在储存环境下能否保持稳定?材料成本是否足够低廉,不给国家财政造成过大负担?所有这些问题,都关系到他科研工作的成败。

2016年,佩帕斯等人在《自然》杂志上发表文章:“制造更好、更安全的生物材料”。对临床应用的执着敦促他们对一种又一种新型聚合物开展测试和实验。

现在,佩帕斯的目光正投向未来的生物材料。他说:“接下来,我们将要探索智能生物材料在大分子释药和分子识别中的几种具体应用。这些材料在疾病治疗、生物传感和再生医学中非常有用。”

智能生物材料能与人体内天然存在的生物化学成分进行互动,而不会引起任何副作用。当人生病时,身体无法对常规的生理生化活动进行自主调节,如果智能材料能参与到人体的代谢、再生、愈合等自然机制中,将显著提高病人舒适度,极大地缓解痛苦,这无疑会是生物医学领域的巨大飞跃。

佩帕斯进一步举例,理论上,SiRNA疗法是一种非常高效的疗法,但在临床应用中,却由于缺乏一种有效的释药系统而停滞不前。2012年,几位释药专家发表了一种SiRNA口服释药的载体。暴露在消化道中时,这种载体能抵抗特殊的pH环境和消化酶,将药物靶向送达患病组织。鉴于SiRNA无法自行通过细胞膜,这种载体能携带着SiRNA药物被细胞吞噬,之后再通过溶酶体逃逸将药物释放出来。

“这些生物材料具有极大的市场潜力。”佩帕斯说。他欣喜地看到,纳米技术、生物化学、分子生物学、材料学等不同学科的人才正会聚在一起,众志成城,致力于通过智能生物材料的研发来解决医学上的重大难题。

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中国工程院外籍院士迈克尔·霍夫曼

实现废水就地处理的“厕所革命”

■本报记者 陆琦

世界厕所组织数据显示,全球有24亿人没有厕所或生活在厕所卫生较差的环境中,一些国家因此引发疟疾等大量疾病,因为直排污物造成土壤、食物和水污染。

在5月30日举行的中国工程院第十四次院士大会全院学术报告会上, 中国工程院外籍院士、加州理工学院环境科学与工程系教授迈克尔·霍夫曼为大家带来了一场关于“厕所革命”的报告。

“这个项目是2011年在我研究生涯的后半程开始的。”霍夫曼40多年的学术生涯研究涉及大气化学、化学动力学、催化氧化与还原、光化学、光催化、纳米技术、超声化学、光电化学、脉冲等离子体化学、环境水化学和微生物学等广泛的领域。

在比尔及梅琳达·盖茨基金会的资助下,霍夫曼课题组开发、测试并实施了便捷式反应系统,该系统专门为生活废水的就地处理而设计。

生活废水在用一套连续的厌氧/好氧折流式生物反应器预处理之后,废水紧接着会通过半导体电化学阵列被处理,这里的化学需氧量(COD)和微生物量都会降低到美国环境保护署(EPA)的重新使用标准值以下。

“用特制的迷你反应器将处理过的废水转化成可以用来洗手和饮用的新水。”霍夫曼介绍说,“处理过的废水就会被收集到冲洗水箱中而不会被排放到周围的环境中。”

饮水与厕所有关的疾病是五岁以下儿童死亡的主要原因之一,不安全供水和厕所与儿童生长迟缓有关,影响全球1.56亿儿童。

据介绍,霍夫曼课题组设计的反应系统可以通过消除悬浮颗粒并减少95%以上的化学需氧量(COD)以及整体消除粪大肠菌群、大肠杆菌、病毒和大肠菌群来净化废水。原理是:原地氯化物与水的阴极还原所形成的氢之间的反应会产生阳极活性氯,肠道菌群消毒可以通过这种阳极活性氯来对付细菌和病毒。

目前,该系统的第三代样机正在缺乏废水排放处理的常规城市基础设施的地方进行实现试验。

2013年,霍夫曼和中国的研究院校、企业开展了合作,他们在江苏宜兴成立了公司,为发展中国家制造太阳能设备并提供相关的生物化学和电化学反应器系统。

“我们正在进行广泛的样机制造,并在一些地方开展试点。”霍夫曼介绍,他们在宜兴的一所小学里安装了相关的厕所设施,效果不错。同时,在一家公园里也安装了光伏发电多人用厕所设施,日接待人数可达2600人。

此外,他们还在印度建立了与ERAM科学及科勒公司(美国/中国)的额外工业合作,生产用适用于印度城市和郊区环境的设备。

关于成本问题,霍夫曼表示,核心半导体阳极的性能和耐用性提升以及材料的改进,将持续不断地降低生产成本,而且安装完成的处理系统可以在没有外部电源或淡水的情况下正常工作。

“目前,用于南非、秘鲁、华南和柬埔寨的大型设备已经组装完毕。”霍夫曼说,“我们希望带来一场‘厕所革命’,5年内实现从设计理念到全面量产,发展中国家的卫生状况改善作出贡献。”

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中国工程院外籍院士尼古拉斯·罗伯特·莱蒙

溶瘤病毒疗法可防治癌症

■本报见习记者 辛雨

近些年,人类对癌症细胞的产生、癌细胞发展中基因和分子变化的研究,使得通过靶向恶性肿瘤细胞中特殊的信号传导途径和检查点的异常来研发新的治疗方法,成为现实。

中国工程院外籍院士、英国巴茨癌症研究所所长尼古拉斯·罗伯特·莱蒙从基因组学和分子病理学角度研究癌症,在癌症的生物治疗和疫苗研发方面有了新的突破,他的科研项目涉及基因修饰的溶瘤病毒和重新靶向的免疫细胞在病人身上的早期临床试验。

“我的工作就是探寻溶瘤病毒与癌症之间的关系。”莱蒙说。

报告会上,莱蒙介绍了溶瘤病毒作用肿瘤细胞的基本原理和过程。病毒被修饰后将只会有选择性地在肿瘤细胞里复制,而不在正常细胞中复制,并且在复制过程中引起肿瘤细胞溶解并释放新的病毒子。

据莱蒙介绍,被释放出来的新病毒可再次感染临近肿瘤细胞,进行下一轮的感染和溶肿瘤细胞。

将溶瘤病毒疗法应用到癌症治疗中,发现p53、pRB是溶瘤病毒疗法起关键作用的两个重要基因。p53抑癌基因通过调控相关信号通路参与DNA复制与修复,如果修复失败,P53即启动程序性凋亡过程诱导细胞自杀,阻止有癌变倾向的突变细胞的生成,从而防止细胞恶变。

通过对比溶瘤病毒疗法与其他常规化学疗法治疗癌症的疗效,发现溶瘤病毒疗法能使肿瘤缩小,并且经过长期随访观察发现,1年后,溶瘤病毒疗法可有效杀死癌细胞。莱蒙表示,经证实,溶瘤病毒疗法对晚期癌症的治疗也有很好的效果。

研究表明,免疫系统可能是治疗癌症和预防癌症复发的最有力武器。溶瘤病毒不仅可以直接溶解感染的恶性肿瘤细胞,并且可以引起强大的特异性机体免疫反应,攻击病毒抗原和肿瘤细胞特异的突变抗原。

莱蒙在报告会上介绍,溶瘤病毒通过DCs摄取所释放的肿瘤抗原,使得DCs成熟和肿瘤特异性T细胞启动,活化后的肿瘤特异性T细胞经血液输回,最后通过细胞毒性T细胞识别和杀死大量的肿瘤细胞,进而防止癌细胞扩散。

“这种抗肿瘤特异性免疫反应可通过武装溶肿瘤病毒表达细胞因子和趋化因子,来增强肿瘤特异免疫细胞向肿瘤微环境内的聚集和活性。”莱蒙说道。

莱蒙表示,针对此免疫疗法开发的新型的肿瘤治疗制剂,主要用于治疗临床中没有有效治疗方法的癌症。这些癌症包括胰腺癌和食管癌。胰腺癌被预言将在2030年成为西方世界第二大致死癌症,食管癌在中国部分地区是第一大致死癌症。

食道癌的防治,是困扰河南省的一个很大的公共卫生和健康问题。莱蒙与郑州大学医学科学院联合研究,成立了中英分子肿瘤研究中心,并在这一领域开展国际化和跨学科合作。将溶瘤病毒技术应用到食管癌的治疗中,对食管癌的治疗和预防采取了一系列有效措施。

《中国科学报》 (2018-06-01 第2版 学术)
(本文来源:科学网 )

(责任编辑:子豪)

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