【科學(xué)+】

　　編者按

　　全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)日前發(fā)布了“基于重大科技創(chuàng)新的新概念新術(shù)語(yǔ)規(guī)范化體系化”工作成果。其中，“泛在操作系統(tǒng)”“高性能制造”“深部固體資源流態(tài)化開采”“超級(jí)微創(chuàng)手術(shù)”4項(xiàng)體系化新名詞，均為我國(guó)科學(xué)家率先提出。它們萌發(fā)于重大科技創(chuàng)新的生動(dòng)實(shí)踐，是科學(xué)家在加快建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)、實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)的征程中，對(duì)標(biāo)“構(gòu)建漢語(yǔ)科技語(yǔ)言體系”，主動(dòng)參與國(guó)際科技話語(yǔ)權(quán)競(jìng)爭(zhēng)的積極嘗試。

　　它們將對(duì)科研工作，乃至日常生產(chǎn)、生活產(chǎn)生怎樣的影響？聽聽科技大咖們?cè)趺凑f(shuō)——

　　泛在操作系統(tǒng)

　　推動(dòng)“萬(wàn)物互聯(lián)”走向智能協(xié)同

　　梅宏 郭耀

　　人類正在進(jìn)入一個(gè)“人機(jī)物”三元融合的萬(wàn)物智能互聯(lián)時(shí)代。萬(wàn)物數(shù)字化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，催生了“計(jì)算無(wú)處不在而又無(wú)跡可尋”的泛在計(jì)算(ubiquitous computing)新場(chǎng)景。在此背景下，一種新型基礎(chǔ)軟件形態(tài)——泛在操作系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)秉承泛在計(jì)算思想，面向泛在化計(jì)算資源管理，支持泛在應(yīng)用開發(fā)運(yùn)行，具有泛在感知、泛在互聯(lián)、輕量計(jì)算、輕量認(rèn)知、反饋控制、自然交互等新特點(diǎn)，標(biāo)志著操作系統(tǒng)從管理“單臺(tái)計(jì)算設(shè)備”邁向管理“人機(jī)物多類資源及其融合”的新階段。

　　傳統(tǒng)操作系統(tǒng)聚焦單個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)(如服務(wù)器、PC、手機(jī))內(nèi)部軟硬件資源的操作與管理，而泛在操作系統(tǒng)則將管理對(duì)象擴(kuò)展至物理世界中分布廣泛、形態(tài)各異、動(dòng)態(tài)聯(lián)通的泛在化異構(gòu)計(jì)算資源，旨在構(gòu)建一個(gè)能夠靈活橋接異構(gòu)資源、支撐新型計(jì)算模式應(yīng)用的統(tǒng)一系統(tǒng)軟件層。狹義上，泛在操作系統(tǒng)主要面向物聯(lián)設(shè)備，以輕量級(jí)計(jì)算為核心，強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性與可靠性，聚焦于“感、聯(lián)、知、控”的共性能力支撐。廣義上，從操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的視角看，它也可被視為面向網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與場(chǎng)景的新型“中間件”層系統(tǒng)軟件，即基于已有的各類節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)，整合與協(xié)調(diào)不同設(shè)備能力，服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人、智慧城市、智慧家居等多樣化場(chǎng)景。不同領(lǐng)域的核心系統(tǒng)軟件，均可視為泛在操作系統(tǒng)理念在具體維度的實(shí)踐。

　　泛在操作系統(tǒng)的核心能力體現(xiàn)在應(yīng)對(duì)兩大關(guān)鍵挑戰(zhàn)：一是資源的深度虛擬化與統(tǒng)一抽象。它將散布于各處的計(jì)算單元、傳感設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的能力，抽象并封裝為標(biāo)準(zhǔn)化、可被發(fā)現(xiàn)和調(diào)用的“服務(wù)”，實(shí)現(xiàn)從“硬件資源”到“可流通服務(wù)”的根本轉(zhuǎn)變，為跨設(shè)備資源池化與協(xié)同利用奠定基礎(chǔ)。二是極致的異構(gòu)性橋接與協(xié)同編排。面對(duì)不同架構(gòu)、能力與廠商的設(shè)備，它通過(guò)建立通用“協(xié)同協(xié)議”與智能調(diào)度機(jī)制，實(shí)現(xiàn)任務(wù)與數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)、最優(yōu)分配。這使得多個(gè)簡(jiǎn)單終端通過(guò)精密協(xié)作，涌現(xiàn)出遠(yuǎn)超單體設(shè)備的復(fù)雜智能行為，完成從“單體智能”到“群體智能”的范式遷移。

　　操作系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)，不僅是單一產(chǎn)品的較量，更是對(duì)未來(lái)數(shù)字社會(huì)核心基礎(chǔ)設(shè)施主導(dǎo)權(quán)的爭(zhēng)奪。出于國(guó)家安全與產(chǎn)業(yè)自主可控的需要，我國(guó)始終將操作系統(tǒng)列為戰(zhàn)略必爭(zhēng)領(lǐng)域，已在傳統(tǒng)操作系統(tǒng)方面圍繞“國(guó)產(chǎn)替代”目標(biāo)持續(xù)投入并取得重要進(jìn)展。泛在操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件發(fā)展的新賽道，面向人機(jī)物融合、萬(wàn)物互聯(lián)的新藍(lán)海，我們更需積極前瞻布局。當(dāng)具備靈活資源虛擬化與異構(gòu)性橋接能力的泛在操作系統(tǒng)走向成熟時(shí)，它將如同新一代“電網(wǎng)”或“路網(wǎng)”那樣，成為支撐數(shù)字經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展、保障國(guó)家網(wǎng)絡(luò)空間安全不可或缺的基石。

　　從智慧工廠的設(shè)備自主協(xié)調(diào)，到智慧城市的系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)管理，再到個(gè)性化健康服務(wù)的無(wú)縫提供……泛在操作系統(tǒng)正從技術(shù)概念走向廣泛實(shí)踐，推動(dòng)“萬(wàn)物互聯(lián)”從簡(jiǎn)單連接走向智能協(xié)同，讓技術(shù)隱于無(wú)形、服務(wù)主動(dòng)貼心。

　　(作者分別系中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院教授；北京大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院教授)

　　高性能制造

　　助高端裝備性能超越極限

　　郭東明

　　無(wú)論是戰(zhàn)機(jī)破空，還是火箭飛天，都需要高端裝備以優(yōu)異性能，在極端服役條件下精準(zhǔn)完成目標(biāo)任務(wù)。當(dāng)前，我國(guó)在航空航天、海洋工程、國(guó)防軍工等重大戰(zhàn)略領(lǐng)域中，對(duì)高端裝備的性能要求已逼近現(xiàn)有技術(shù)能力的極限。為了讓高端裝備的性能不斷超越極限，高性能制造應(yīng)運(yùn)而生。

　　傳統(tǒng)制造中，設(shè)計(jì)、制造環(huán)節(jié)相對(duì)獨(dú)立，難以直接對(duì)標(biāo)最終性能。而高性能制造以“性能精準(zhǔn)達(dá)成”為根本目的，以“產(chǎn)品性能數(shù)學(xué)建?！睘閷?dǎo)航，以“設(shè)計(jì)制造深度融合”為驅(qū)動(dòng)引擎，通過(guò)對(duì)目標(biāo)性能進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，將“人的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)”轉(zhuǎn)化為清晰、可計(jì)算的顯性模型，從而系統(tǒng)性地推動(dòng)高端裝備一次次實(shí)現(xiàn)性能跨越。

　　以對(duì)空導(dǎo)彈為例，其前端的頭罩肩負(fù)著多重使命，既需良好的氣動(dòng)外形，在極速飛行時(shí)能夠減小阻力，也需具備“透波無(wú)畸變”的優(yōu)異性能，保證鎖定敵機(jī)的信號(hào)清晰準(zhǔn)確，還需化身堅(jiān)固隔熱屏障，承受上千攝氏度的氣動(dòng)高溫。令設(shè)計(jì)師棘手的是，氣動(dòng)、透波、耐熱三大性能會(huì)相互制約，若僅憑經(jīng)驗(yàn)摸索，難免會(huì)顧此失彼。高性能制造為此提供了完整的解決方案，它不依賴經(jīng)驗(yàn)，而是基于科學(xué)原理建立數(shù)學(xué)模型，精準(zhǔn)地描述外形、材料、厚度等因素對(duì)最終性能的綜合影響。在高性能制造的導(dǎo)航圖上，設(shè)計(jì)目標(biāo)被明確為“以精準(zhǔn)擊敵為最終性能目標(biāo)，在多重約束中尋求最優(yōu)的平衡點(diǎn)”。正是憑借精準(zhǔn)的目標(biāo)和堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)，高性能制造助力導(dǎo)彈一次次突破極限，最終鑄就震懾宵小的“穿云之箭”。

　　任何精妙的方案，都需依靠“設(shè)計(jì)制造深度融合”來(lái)實(shí)現(xiàn)。在高性能制造中，設(shè)計(jì)過(guò)程就要充分考慮制造工藝的能力邊界與成本限制，制造過(guò)程也不僅僅是被動(dòng)復(fù)現(xiàn)圖紙，而是主動(dòng)調(diào)控產(chǎn)品性能。在產(chǎn)品性能數(shù)學(xué)模型的引導(dǎo)下，制造過(guò)程中的實(shí)際條件被量化為性能影響因素，并反饋至設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。以飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)為例，為了能夠在上千度的高溫中工作，需在渦輪葉片內(nèi)設(shè)置微小、精密的冷卻結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)制造范式下，設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的冷卻結(jié)構(gòu)可能因制造能力限制而無(wú)法實(shí)現(xiàn)；高性能制造范式下，在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)師就可以將激光打孔、增材制造等工藝作為工具，同時(shí)，制造工藝參數(shù)也被性能模型量化為冷卻效果的影響因素，反饋至設(shè)計(jì)端進(jìn)行改進(jìn)。由此，產(chǎn)品不再面臨“設(shè)計(jì)出但造不出”的限制，制造環(huán)節(jié)也成為性能的共同塑造者，通過(guò)與設(shè)計(jì)深度融合，共同打造超越現(xiàn)有極限的高性能產(chǎn)品。

　　可見，掌握了高性能制造這一新范式，就如同掌握了打造“倚天長(zhǎng)劍”的核心法則。在我國(guó)邁向制造強(qiáng)國(guó)的關(guān)鍵時(shí)期，高性能制造的理論與方法，必將為重大裝備的發(fā)展提供不竭動(dòng)力，為實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　(作者系中國(guó)工程院院士)

　　深部固體資源流態(tài)化開采

　　向深地要資源、要空間

　　謝和平

　　隨著地球淺部固體資源漸趨枯竭，向深地要資源、要空間，成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。大多固體資源70%以上的埋深超過(guò)2000米，而現(xiàn)有的開采工藝、技術(shù)、裝備等條件下的極限開采深度在1600米左右。為了提高人類對(duì)地球固體資源開采深度的極限能力，我們?cè)谌蚴状翁岢觥吧畈抗腆w資源流態(tài)化開采”這一顛覆性技術(shù)構(gòu)想。

　　該構(gòu)想的核心，是原位開采深部固體資源，并原位轉(zhuǎn)化為氣態(tài)、液態(tài)或氣固液混態(tài)物質(zhì)，在井下實(shí)現(xiàn)無(wú)人智能化采選充，以及熱電氣轉(zhuǎn)化的流態(tài)化開采技術(shù)體系。摒棄了傳統(tǒng)地下礦山的開拓布局模式，將深部固體資源在原位液化、氣化與電化，可以明顯減少巷道掘進(jìn)的工作量，提高深部固體資源利用度，取消固體資源開發(fā)中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，直接實(shí)現(xiàn)電、熱、氣一體化供給。

　　由傳統(tǒng)固體資源開發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲬B(tài)化開發(fā)，需要探索構(gòu)建一套井下原位采、選、充、電、熱、氣一體化智能開采系統(tǒng)，即將傳統(tǒng)開采工藝集中構(gòu)架在類似于隧道掘進(jìn)機(jī)的系統(tǒng)中，通過(guò)機(jī)械粉碎固體礦物實(shí)現(xiàn)原位智能分選，并在綜合利用固體礦物有用成分的同時(shí)，就地消納廢物。以煤礦開采為例，深部流態(tài)化開采主要包括深部原位流態(tài)化開采、多元化利用、負(fù)碳化充填等幾個(gè)環(huán)節(jié)，可真正實(shí)現(xiàn)深部煤礦地面無(wú)煤、井下無(wú)人的高技術(shù)開發(fā)。

　　為了從根本上重塑深部固體資源的獲取模式，我們必須從理論、方法和技術(shù)系統(tǒng)上開展原創(chuàng)性研究，包括：探究相關(guān)巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論與廢物就地消納的負(fù)碳充填技術(shù)，建立開采技術(shù)安全評(píng)價(jià)體系；探明深部煤體的破碎機(jī)理與動(dòng)態(tài)破碎行為，創(chuàng)新研發(fā)開采新技術(shù)，突破流態(tài)化遠(yuǎn)程輸運(yùn)技術(shù)；創(chuàng)建原位熱、電、氣一體化、智能化、小型化技術(shù)裝備，研制智能開采效能和安全分析決策系統(tǒng)等。

　　作為一種顛覆深部固體資源開發(fā)的新模式，深部固體資源流態(tài)化開采是人類走向地球深部、開發(fā)利用深部資源的關(guān)鍵技術(shù)。我們應(yīng)加快深部固體資源流態(tài)化開采理論、技術(shù)與裝備研發(fā)，使我國(guó)成為深部固體資源安全、綠色、智能開采的全球領(lǐng)跑者，助力我國(guó)早日完成由礦業(yè)大國(guó)向礦業(yè)強(qiáng)國(guó)的歷史性跨越。

　　(作者系中國(guó)工程院院士)

　　超級(jí)微創(chuàng)手術(shù)

　　開啟手術(shù)治療全新時(shí)代

　　令狐恩強(qiáng) 李惠凱

　　近200年來(lái)，手術(shù)治療疾病的模式均是以切除病變器官為核心手段。例如，胃癌患者需切除遠(yuǎn)端胃、近端胃或全胃，以完成治療。術(shù)后，由于器官缺失、改道，相關(guān)器官的功能也會(huì)基本喪失。這類手術(shù)雖然能挽救生命，但卻因器官結(jié)構(gòu)的不可逆損傷，嚴(yán)重影響患者術(shù)后的生活質(zhì)量。

　　2016年，我們開創(chuàng)性地提出保全器官、根治疾病的“超級(jí)微創(chuàng)手術(shù)(SMIS)”理念。其核心是在完整保留器官解剖結(jié)構(gòu)與生理功能的前提下，精準(zhǔn)清除病灶，將手術(shù)治愈的目標(biāo)由單純的“治愈疾病”提升到“治愈疾病且器官功能恢復(fù)如初”的高度，徹底顛覆“以犧牲器官換取療效”的傳統(tǒng)模式。

　　超級(jí)微創(chuàng)手術(shù)通過(guò)人體自然腔道(如食管、氣管、尿道等)，或直接穿入人體的微小人工通道，借助高清內(nèi)鏡與精密器械，對(duì)病灶實(shí)施毫米級(jí)精準(zhǔn)清除。對(duì)于消化道腫瘤治療，經(jīng)口插入內(nèi)鏡，利用染色放大技術(shù)定位癌變組織，再以專用電刀切除病變，消化道器官結(jié)構(gòu)完好如初，術(shù)后患者的消化吸收功能不受任何影響；對(duì)于膽囊膽管疾病，通過(guò)支撐開其在腸道內(nèi)的微小開口，用超細(xì)內(nèi)鏡與器械進(jìn)入膽管、膽囊內(nèi)部，在直視下清除結(jié)石、引流膿液、切除病變，在保持膽管、膽囊、肝葉正常結(jié)構(gòu)的情況下，完全治愈疾病。

　　超級(jí)微創(chuàng)手術(shù)經(jīng)由自然腔道、隧道、穿刺通道、多腔隙通道，構(gòu)建起覆蓋全器官系統(tǒng)的技術(shù)體系。其中，自然腔道是通過(guò)鼻腔、氣道、食道、尿道等，實(shí)施食管癌、胃癌超級(jí)微創(chuàng)切除手術(shù)，以避免食管和胃被部分或全部切除；隧道通道是通過(guò)在人體組織中建立通道到達(dá)手術(shù)位置，或在人工建立的空間內(nèi)開展體外經(jīng)皮下通道甲狀腺手術(shù)、乳腺手術(shù)等；穿刺通道是通過(guò)穿刺進(jìn)入人體自然腔隙，或疾病形成的腔隙內(nèi)開展手術(shù)；多腔隙聯(lián)合通道是整合多器官空間路徑，為復(fù)雜病例設(shè)計(jì)個(gè)性化方案。

　　隨著超級(jí)微創(chuàng)手術(shù)的廣泛應(yīng)用，其創(chuàng)新價(jià)值獲得高度評(píng)價(jià)。雖然完美解決疾病各個(gè)階段的治療問(wèn)題還需要輔助治療手段的進(jìn)步與完善，但手術(shù)治療學(xué)的全新時(shí)代已然開啟，相當(dāng)一批患者已經(jīng)獲益。我們相信，在超級(jí)微創(chuàng)理念的引領(lǐng)下，伴隨放化療、靶向治療等技術(shù)進(jìn)步，絕大部分需要手術(shù)治療的疾病，均能通過(guò)超級(jí)微創(chuàng)手術(shù)獲得近乎完美的治療效果。

　　(作者分別系中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心消化內(nèi)科醫(yī)學(xué)部主任；中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心消化內(nèi)科醫(yī)學(xué)部食管胃病科主任)

　　來(lái)源：光明日?qǐng)?bào)