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中国工程院外籍院士畅谈前沿工程科技

作者:社会经济
出处:www.lunrr.com
时间:2020-03-21

作者:辛雨,倪思杰,齐鲁李晨阳来源:中国科学新闻,2018/6/1 9:17336036

选择:萧中

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中国工程院院士谈先进工程技术

从飞机噪声控制到风致减灾,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届院士大会上,来自不同研究领域的六位外国院士与与会院士分享并交流了一系列工程科学技术领域的前沿学术成果。

安道林,中国工程院外籍院士,从低噪声飞机到噪声控制

■新宇,本报见习记者,提高了潜艇声纳系统的信噪比、轮胎与道路的相互作用、低污染燃烧和自适应主动燃烧控制.作为这一系列研究的参与者,中国工程院外籍院士、英国皇家工程院院长安道林(An Daolin)带来了许多新的应用,包括声纳系统专用涂层、新一代海洋石油勘探声学天线、喷气发动机燃烧控制等。

考虑到低噪音飞机的需求和重要性没有得到足够的重视,安藤霖将这些新的应用带回航空声学领域,进一步研究协和式超音速喷气式飞机和飞机噪音。

近年来,第二代涡轮喷气飞机导致民用飞机的噪声水平下降,每英里乘客的油耗也逐渐下降。这让人们不禁要问,从一张白纸开始,有人能设计出一架在典型机场外听不到声音的中程客机吗?

”这意味着声能已经下降到当前水平的大约0.3%。如果有可能设计出这样一种“无声”飞机,与现在和下一代飞机相比,它的燃料燃烧和排放情况如何?安藤林说。

因此,安藤林与来自剑桥大学和麻省理工学院的40多名研究人员合作,与波音、劳斯莱斯、马歇尔和美国国家航空航天局共同发起了“低噪音飞机计划”。

低噪声飞机是指在白天城市环境中飞机噪声可以降低到背景值。Andolin在报告中表示,该研究初步分析了传统飞机噪声源(通风进气、通风排气、涡轮、排气喷嘴等)的噪声水平。)在起飞和进近期间,这有助于进一步计算每个噪声源的可减少性。

其次,通过低噪声飞机的概念设计和低噪声助推技术,优化起飞推力管理,使其进入换挡门槛、发动机转速低、角度大的场地。此外,低燃料消耗促进技术用于确保更低的能量消耗。最后,预测的噪声水平表明,在各种条件下,无声飞机的噪声水平比现有机队低约25EPNdB。安藤林表示,“低噪音飞机计划”有望在现有机队的噪音方面实现一个阶跃变化。“基于此,我们开发了一种新概念飞机,可以用更少的燃料将215名乘客从北京运送到伦敦。更重要的是,这次飞行中产生的噪音水平急剧下降。”

“低噪音飞机计划”已经开发了一种新型超低噪音节能飞机的概念设计。安藤林对管道火焰的燃烧振荡形成了基本的理解,证明了主动反馈控制是消除导致不稳定的破坏性相互作用的有力方法。

由表面柔度、边界层和表面特性组合而成的波导极大地改变了测量场,从而显着减少了近表面气流产生的声音。安藤不仅率先阐明了这些影响,还解释了如何通过适当选择表面涂层来控制这些影响。

安道林带领英国皇家工程院和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、战略性新兴产业、先进制造和重大全球挑战。

“我努力实现激励我研究事业的价值观,鼓励年轻人发展到工程领域,为工程领域做出更多贡献。”安道林说:“我认为把学术和商业联系起来非常重要,这有助于更好的合作模式,并将改变合作研究的结果。艰难的挑战也可能成为变革性研究的驱动力。我们需要更多更好的国际研究合作来应对这一共同挑战。”

田村幸雄中国工程院外籍院士

用全尺寸风暴模拟器减少灾害损失

■本报记者倪思杰

5月30日,国际风工程界代表、中国工程院外籍院士田村幸雄向观众展示了多年来全球经历的几次风灾害。

1970年11月,孟加拉国东巴基斯坦的布拉飓风造成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,经济损失约1000亿美元。2008年5月,纳尔吉斯气旋袭击缅甸,造成人员死亡和失踪,并造成100亿美元的经济损失。2013年11月,台风海燕袭击菲律宾,造成7986人死亡和失踪.

“自然灾害频繁发生。虽然我们无法预测其规律性,但我们为什么不采取长期对策呢?”田村幸雄说。

人类生活在大气边界层中。在这个范围内发生的气流通常被称为风,而像热带气旋这样的强风会对基础设施和人员造成严重损害。即使是弱风或中等风也可能导致结构或建筑构件的剧烈振动,并可能对人类社会造成严重、长期和无形的环境影响,例如空气污染。

近年来,破坏性天气灾害、风暴和洪水的频率日益增加,相关经济损失也大幅增加。

"建筑物越来越高,桥梁越来越长,所以它们越来越容易被风吹倒。"田村幸雄说。

根据他的统计,从2005年到2014年,美国每年自然灾害造成的经济损失为450亿美元,中国为270亿美元,日本为240亿美元。

他说,为了降低“与风有关的灾害”的风险,最终实现更安全、更稳定的社区,风力工程研究人员仍然需要解决许多新问题,“正如基于全球变暖和气候变化所做的假设一样,与风有关的灾害风险在未来将继续恶化”。

然而,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难点在于,针对数百年或数千年来罕见破坏性事件的建筑物和结构性能的验证工作仅仅是基于对意外损坏迹象的模糊判断。

"这个过程就像在黑暗中摸索."田村幸雄说。

他说,风力工程师对风荷载评估比对建筑物和结构的性能评估更感兴趣,因此使用比例模型的风洞试验非常有帮助。然而,尺度模型不利于结构的性能评价,也不利于极端风、暴雨、降雪等气象因素的综合影响评价。

“不能让悲剧重演!我们需要准确评估建筑物和结构的抗风能力,尤其是覆层和组件系统的性能。”田村幸雄说。

他建议,为了降低灾害风险,有必要建立一个全面的风暴模拟器,在受控条件下重现真正罕见的事件。"全尺寸风暴模拟器可以完全再现极其罕见的事件和现象."田村幸雄说,全尺寸风暴模拟器可以减少2%的自然灾害经济损失,提高国家危机控制能力。

“我们今天投资,明天储蓄。未来不应该是悲剧,而是给我们孩子的礼物!”田村幸雄说。

顾敏,中国工程院外籍院士

让大数据存储变得绿色、更快、更长

■我们的记者李晨阳

“我们生活在大数据时代。”中国工程院外籍院士、中国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飞速发展,人类社会的信息量呈爆炸式增长。据互联网数据中心估计,到2020年信息量将超过40ZB,到2025年将超过162ZB。信息生成的速度将远远超过数据的存储容量。

随着脑科学项目和引力波探测等大型科学项目的推进,科学研究中对长数据的需求也在增加,科学家们呼吁建立一个寿命更长、容量更大的数据存储中心。

人们也为存储更多信息付出了巨大的代价。2011年中国数据中心的耗电量相当于三峡大坝的年发电量。以目前的增长率,仅在10年内,世界石油生产能力无法满足数据存储的功耗需求。

这是像顾敏这样的科学家面临的困难挑战,也是全人类面临的严重问题。

传统的大数据中心由数千个硬盘阵列组成,使用低存储密度的电子或磁性存储介质。它占用空间广、能耗高、速度限制多、安全隐患大。为了确保数据安全,硬盘阵列必须每3到5年备份一次,这进一步增加了资源消耗。

创新的关键在于升级存储介质。“我们的解决方案是纳米光电子,”顾敏说。

1873年,德国物理学家恩斯特阿贝(Ernst Abbe)发现了着名的“衍射极限”,这为现代光学成像器件和光学存储奠定了基础。与此同时,它还将DVD和蓝光技术的存储密度限制在5GB到25GB的物理瓶颈。

此后,如何突破衍射极限的障碍一直是几代科学家的目标。20世纪90年代,斯特凡赫尔(Stefan Hull)等科学家利用荧光分子绕过衍射极限,获得超高分辨率荧光显微镜,获得2014年诺贝尔奖。

熟悉的光盘面对着同样的玻璃天花板。为了使光盘更小、更大、更环保,顾敏和他的同事们从未停止学习。

2009年,顾敏团队首次实现纳米材料的五维光学存储,突破蓝光光盘三维存储的技术瓶颈。2013年,顾敏团队发明了突破性的自旋技术,这使得存储容量在不改变容量的情况下大幅增加。旋转光盘的容量相当于DVD的容量。

经过不懈努力克服困难,顾敏团队最终实现了单PB容量的绿色光子存储技术,存储容量是蓝光技术的40万倍。换句话说,原来100米规模的PB数据中心现在可以被10厘米规模的光盘取代,节省了大量基础设施材料和90%以上的能耗。这使得电子商务甚至ZB的大数据中心不再是一个寓言。

这个成就出来后,顾敏和他的同事们由衷地叹了口气:“我们迎来了一个新时代。”他们认为,PB容量绿色光子存储技术的发展将引发信息技术领域的一场新革命,开启一个可持续的大数据时代,为建设一个更绿色、更大容量、更高速的全光光子大数据中心奠定基础。

在报告中,顾敏特别提到了他与中国科学家的一系列合作。他还说,他有一个梦想,让中国的每个县都有一个光学数据中心。"中国大约有3000个县,这是一个巨大的市场."顾敏说。

尼古拉斯佩帕斯

中国工程院外籍院士

为生物医学设计智能材料

■我们的记者李晨阳

“1992年12月,一种疾病改变了我的生活。”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(Nicholas Peppas)在报告中分享了自己的经历。那时,他的病无法忍受,他不能走路。直到一种叫做干扰素β的生物活性物质被注射到他的肌肉中,他的身体状况才得到改善。

"就在那时,我意识到生物医学的重要性."他说。

根据佩帕斯的说法,人们生活在医学发展史上最激动人心的时代。先进的生物医学材料、改良的生物分子和先进的医疗设备都在提高患者的生活质量。各种新兴技术、概念、方法甚至医疗系统使“治病”事件更加个性化,可以为每个人设计不同的治疗方案。

“当我在麻省理工学院获得硕士学位时,我主要担心的是植入我体内的材料必须无毒无害。”佩帕斯说。然而,随着这门学科的迅速发展,他发现无毒只是最基本的要求。这些材料能被人类免疫系统接受吗?它能被人体尽快代谢和降解吗?它在存储环境中稳定吗?材料成本是否足够低,不会给国家财政造成太大负担?所有这些问题都与他的科研工作的成败有关。

2016年,Peppers等人在《自然》杂志上发表了一篇文章:“打造更好、更安全的生物材料”。他们对临床应用的坚持促使他们对一种新的聚合物进行一种又一种的测试和实验。

现在,佩帕斯正在研究未来的生物材料。他说:“接下来,我们将探索智能生物材料在高分子药物释放和分子识别方面的几个具体应用。这些材料在疾病治疗、生物传感和再生医学中非常有用。”

智能生物材料可以与人体内的天然生化成分相互作用,不会产生任何副作用。当一个人生病时,身体不能独立调节日常的生理生化活动。如果智能材料能够参与人体新陈代谢、再生和愈合等自然机制,患者的舒适度将会显着提高,疼痛将会大大减轻,这无疑将是生物医学领域的一个巨大飞跃。

Peppas又举了一个例子。理论上,SiRNA治疗是一种非常有效的治疗方法,但在临床应用中,由于缺乏有效的药物释放系统而停滞不前。2012年,几位药物释放专家公布了一种用于SiRNA口服药物释放的载体。当暴露于消化道时,载体可以抵抗特殊的酸碱度环境和消化酶,并有针对性地将药物输送到患病组织。由于SiRNA本身不能通过细胞膜,这种载体可以携带SiRNA药物被细胞吞噬,然后通过溶酶体逃逸释放药物。"这些生物材料具有巨大的市场潜力."佩帕斯说。他很高兴看到来自纳米技术、生物化学、分子生物学和材料科学等不同学科的人才聚集在一起,通过研究和开发智能生物材料,共同努力解决重大医学问题。

中国工程院外籍院士迈克尔霍夫曼

厕所革命“实现污水就地处理”

■根据我们的记者齐鲁

世界厕所组织的数据,世界上有24亿人没有厕所或生活在厕所恶劣的卫生环境中。因此,许多疾病如疟疾和其他疾病是在一些国家引起的,因为直接污染物造成土壤、食物和水污染。

迈克尔霍夫曼,中国工程院外籍院士,加州理工学院环境科学与工程教授,于5月30日在第十四届中国工程院院士学术会议上提交了一份关于“厕所革命”的报告。

"这个项目始于2011年我研究生涯的后半期."霍夫曼40多年的学术生涯研究涵盖了广泛的领域,如大气化学、化学动力学、催化氧化还原、光化学、光催化、纳米技术、声化学、光电化学、脉冲等离子化学、环境水化学和微生物学。

在比尔和梅林达盖茨基金会的支持下,霍夫曼的研究小组开发、测试并实施了一个方便的反应系统,专门为生活废水的现场处理而设计。

生活废水用一套连续厌氧/好氧折流板生物反应器预处理后,废水将立即用半导体电化学阵列处理。这里的化学需氧量和微生物生物量都将减少到低于美国环境保护局的再利用标准值。

"特殊的微型反应器被用来将处理过的废水转化成可用于洗手和饮用的淡水。"霍夫曼说,“处理后的废水将被收集到冲洗池中,不会排放到周围环境中。”

与饮用水和厕所有关的疾病是五岁以下儿童死亡的主要原因之一。不安全的供水和厕所与儿童发育迟缓有关,影响到全世界1.56亿儿童。

据介绍,霍夫曼研究小组设计的反应系统可以通过消除悬浮颗粒,将化学需氧量(COD)降低95%以上,并从整体上消除粪大肠菌群、大肠菌群、病毒和大肠菌群来净化废水。原理是水阴极还原形成的原位氯化物和氢气反应产生阳极活性氯,可用于肠道菌群消毒,以对付细菌和病毒。

目前,该系统的第三代原型正在缺乏常规城市污水排放处理基础设施的地方进行测试。

2013年,霍夫曼与中国研究机构和企业合作。他们在江苏宜兴成立了一家公司,生产太阳能设备,并为发展中国家提供相关的生化和电化学反应器系统。"我们正在进行广泛的原型制造,并在一些地方进行试点."霍夫曼说,他们在宜兴的一所小学安装了厕所设施,效果很好。同时,一个公园还安装了光伏发电设施,供许多人使用厕所,每天接待2600人。

此外,他们还与印度的ERAM科勒公司(美国/中国)建立了额外的工业合作,以生产适合印度城市和郊区环境的设备。

在成本问题上,霍夫曼表示,核心半导体阳极性能和耐久性的提高以及材料的改进将不断降低生产成本,安装的处理系统无需外部电源或淡水即可正常工作。

“目前,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’,并在5年内为发展中国家从设计理念到全面生产的卫生设施改善做出贡献。”

nicolas robert lemmon,中国工程院外国院士

溶瘤病毒疗法可以预防癌症

■新余,本报见习记者

,近年来,人类对癌细胞的产生以及癌细胞发育过程中基因和分子变化的研究,使得通过靶向恶性肿瘤细胞检查站的特殊信号通路和异常来开发新的治疗方法成为现实。

尼古拉斯罗伯特莱蒙(Nicholas Robert Lemon),中国工程院外籍院士,英国贝茨癌症研究所所长,从基因组学和分子病理学的角度,在癌症生物治疗和疫苗开发方面取得了新的突破。他的研究项目包括基因改造的溶瘤病毒的早期临床试验和患者免疫细胞的再靶向。"我的工作是探索溶瘤病毒和癌症之间的关系."柠檬说。

会上,柠檬介绍了溶瘤病毒作用于肿瘤细胞的基本原理和过程。经过修饰后,病毒只会选择性地在肿瘤细胞中复制,而不会在正常细胞中复制,并会导致肿瘤细胞在复制过程中溶解并释放新的病毒粒子。

根据柠檬的说法,释放的新病毒可以再次感染邻近的肿瘤细胞,进行下一轮的感染和肿瘤细胞的裂解。

当溶瘤病毒治疗应用于癌症治疗时,发现p53和pRB是在溶瘤病毒治疗中起关键作用的两个重要基因。P53肿瘤抑制基因通过调节相关信号通路参与基因复制和修复。如果修复失败,P53将启动程序性凋亡过程,诱导细胞自杀,防止产生具有癌变倾向的突变细胞,从而防止细胞恶性转化。

通过比较溶瘤病毒疗法与其他常规癌症化疗的疗效,发现溶瘤病毒疗法能缩小肿瘤大小,经过长期随访观察,发现一年后溶瘤病毒疗法能有效杀死癌细胞。柠檬说,已经证明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。溶瘤病毒不仅能直接溶解被感染的恶性肿瘤细胞,还能引起强烈的特异性机体免疫应答,攻击病毒抗原和肿瘤细胞特异性突变抗原。

柠檬(Lemon)在报告中介绍,溶瘤病毒通过树突状细胞摄取释放的肿瘤抗原,导致树突状细胞成熟,肿瘤特异性的T细胞启动。激活的肿瘤特异性T细胞通过血液被输回。最后,大量肿瘤细胞被细胞毒性T细胞识别和杀死,从而防止癌细胞扩散。

“这种抗肿瘤特异性免疫反应可以通过武装肿瘤病毒以表达细胞因子和趋化因子来增强肿瘤特异性免疫细胞在肿瘤微环境中的聚集和活性。”柠檬说。

柠檬说,为这种免疫疗法开发的新肿瘤治疗剂主要用于治疗临床上没有有效治疗方法的癌症。这些癌症包括胰腺癌和食道癌。胰腺癌预计将在2030年成为西方世界第二大致命癌症。食管癌是中国部分地区第一大致命癌症。

食管癌的防治是困扰河南省的一大公共卫生健康问题。莱蒙和郑州大学医学科学院共同建立了中英分子肿瘤研究中心,并在这一领域开展了国际和跨学科合作。溶瘤病毒技术已应用于食管癌的治疗,并为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第二版学术)

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