中國工程院外籍院士暢談前沿工程科技

　　 從飛機噪音控制到削減風致災害，從智能材料到大數據存儲，從腫瘤治療到廁所革命……5月30日，在中國工程院第十四次院士大會全院學術報告會上，來自不同研究領域的6位中國工程院外籍院士，與在場院士分享、交流了一系列工程科技領域的前沿學術成果。

　　中國工程院外籍院士安道琳

　　從低噪音飛機到噪音控制

　　提高潛水艇聲吶系統的信噪比，輪胎與道路的相互作用，低污染燃燒與自適應有源燃燒控制…… 中國工程院外籍院士、英國皇家工程院院長安道琳作為這一系列研究的參與者，帶來了許多新型應用，包括聲吶系統的特種涂料、海洋石油勘探的新一代聲學天線以及噴射引擎的燃燒控制等。

　　考慮到低噪音飛機的需求和重要性并沒有得到足夠的重視，安道琳帶著這些新型應用，轉回航空聲學領域，進一步研究協和式超音速噴射客機和飛機噪聲。

　　近年來，第二代渦輪噴氣飛機使得民用飛機的噪聲級有下降趨勢，并且每乘客英里耗油量也逐漸減少。這不禁讓人思考，從一張空白紙開始，有人可以設計一架在典型機場外面聽不見聲音的中程客機嗎？

　　“這意味著聲能降至約當前等級的0.3%。如果有可能設計這樣一架“靜音”飛機，與目前的和下一代飛機相比，其燃料如何燃燒和排放？”安道琳說。

　　因此，安道琳與40余位來自劍橋大學和麻省理工學院的研究人員合作，聯合波音公司、勞斯萊斯、馬歇爾、美國國家航空航天局（NASA）等公司機構，開展“低噪聲飛機計劃”。

　　低噪聲飛機，指在白天城市環境下，飛機噪聲可降低至背景值。安道琳在報告中介紹，研究起初分析了飛機起飛和進場時，傳統式飛機噪聲源（通風進氣口、通風排氣口、渦輪機、排氣噴口等）的噪聲等級，這有利于進一步計算每一個噪聲來源的可降低程度。

　　接下來，通過低噪聲飛機概念設計，以及低噪聲促成技術，優化起飛推力管理，以移位閾限、低發動機轉速緩慢、大角度進場。此外，利用低燃油消耗促成技術，以保證較低的能源使用量。 最后，預測噪聲水平發現，在各種條件下，該靜音飛機的噪聲水平約低于現有機群噪聲水平25EPNdB。安道琳表示，“低噪聲飛機計劃”預計將實現現有機群噪聲的階躍變化。“我們已經依此開發出一種新概念飛機，可以運載215名乘客用更少的燃油從北京飛到倫敦，更重要的是，這一航程中所產生的噪音水平急劇下降。”

　　“低噪聲飛機計劃”開發出新穎、超低噪聲節能飛機的概念設計。安道琳形成了對管道火焰燃燒振蕩的基本認識，證明了主動反饋控制是消除導致不穩定性的破壞性相互作用的一種有力方式。

　　表面順應性、邊界層和表面性質相結合形成的波導極大地改變測量場，進而顯著降低近表面氣流產生的聲音。安道琳不僅率先明確了這些效應，而且闡明了如何通過適當選擇表面涂層對其進行控制。

　　安道琳領導英國皇家工程院與中國工程院開展了一系列卓有成效的合作，包括創新、校企合作、戰略新興產業、先進制造業和全球重大挑戰等領域。

　　“我努力實現那些曾經激勵過我研究生涯的價值觀，也以此來激勵青少年向工程界發展，為工程界多作貢獻。”安道琳說：“我認為學術與商業相銜接至關重要，這可以貢獻更好的合作模式，將使合作研究的結果發生改變。艱巨的挑戰也可以成為變革性研究的驅動者，我們需要更多更好的國際研究合作來迎接這共同的挑戰。”

　　中國工程院外籍院士田村幸雄

　　用全尺寸風暴模擬器降低災害損失

　　5月30日，中國工程院第十四次院士大會全院學術報告會上，在作完簡要的自我介紹后，國際風工程界的代表性人物、中國工程院外籍院士田村幸雄（Yukio Tamura）向在座聽眾展示了歷年來全球經歷的幾次風災。

　　1970年11月，孟加拉國東巴基斯坦的Bhora颶風造成50萬人死亡，經濟損失4.6億美元。2005年8月，卡特里娜颶風襲擊美國，造成2541人死亡和失蹤，經濟損失約在1000億美元。2008年5月，緬甸發生了納爾吉斯颶風，死亡和失蹤人數達到138366人，經濟損失100億美元。2013年11月，海燕臺風襲擊了菲律賓，造成7986人死亡和失蹤……

　　“自然災害頻繁發生，雖然我們無法預測它的規律，但為什么我們不采取長期應對措施？”田村幸雄說。

　　人類生活在大氣邊界層的范圍內。在這一范圍內出現的氣流一般被稱為風，而熱帶氣旋等極強風將對基礎設施和人員造成嚴重損害。甚至弱風或中等強度風也可能導致構筑物或建筑構件出現劇烈振動，并可能對人類社會造成嚴重的、長期且無形的環境影響，例如空氣污染問題。

　　近年來，破壞性天氣災害、風暴和洪災的發生頻率日益增加，相關經濟損失也顯著增加。

　　“建筑物越來越高，橋梁越來越長，也因此越來越容易受到風力的影響。”田村幸雄說。

　　根據他的統計，從2005年到2014年，每年美國因自然災害帶來的經濟損失是450億美元，中國是270億美元，日本是240億美元。

　　他表示，為削減“與風力有關的災害”的風險，并最終實現更安全、更穩固的社區，風力工程研究人員仍需解決許多新問題，“正如基于全球變暖和氣候變化作出的假設，未來與風力有關的災害風險將持續惡化”。

　　不過，長期致力于結構風工程研究的田村幸雄在研究過程中也發現，目前應對風致災害的困難之處在于，對建筑物和構筑物抵御數百年或數千年一見的罕見破壞性事件的性能所開展的驗證工作，僅僅基于對偶然發生的損害標志的模糊判斷。

　　“這一過程就像在黑暗中摸索。”田村幸雄說。

　　他表示，風力工程師更感興趣的是風力荷載評估，而非建筑物和構筑物的性能評估，因此采用縮比模型開展的風洞試驗對其頗有助益。然而，縮比模型對構筑物的性能評估或極端風力和暴雨、降雪等其他氣象要素的綜合影響評估并無助益。

　　“不能讓悲劇重演！我們需要準確評估建筑物與結構的抗風性能，尤其是覆層和構件系統的性能。”田村幸雄表示。

　　他建議，為削減災害風險，有必要修建在受控條件下再現真實罕見事件的全尺寸風暴模擬器。

　　“全尺寸風暴模擬器可以對極其稀有的事件和現象進行全尺寸再現。”田村幸雄表示，用全尺寸風暴模擬器可以減少自然災害中2%的經濟損失，提升國家危機控制能力。

　　“我們投資今天，拯救明天。未來不應該是場悲劇，而應該是我們留給孩子的一份禮物！”田村幸雄說。

　　中國工程院外籍院士顧敏

　　讓大數據存儲更綠、更快、更長久

　　“我們生活在大數據的時代。”中國工程院外籍院士、華裔澳大利亞科學院院士顧敏走上講臺，用一句看似老生常談的話開始了他的報告。

　　隨著計算機網絡技術的迅猛發展，人類社會的信息量呈爆炸性增長。據互聯網數據中心估算，到2020年信息量將超過40ZB，2025年達到162ZB，信息的產生速度遠遠超過數據的存儲能力。

　　隨著腦科學計劃、引力波探測等大科學項目的推進，科研工作對長數據的需求也在不斷增長，科技工作者們呼喚著更長壽命、更大容量的數據存儲中心。

　　而人們為了儲備更多信息，也付出了巨大的代價。中國數據中心2011年的耗電量，就相當于三峽大壩全年的發電量。以目前的增速計算，短短10年后，全球的石油產能都不能滿足數據存儲的耗電需求。

　　這是顧敏等科學家面臨的艱難挑戰，也是擺在全人類面前的嚴峻問題。

　　傳統大數據中心由數千個硬盤陣列組成，采用低存儲密度的電子或磁存儲介質，占用空間廣、能源消耗高、速度受限多、安全隱患大。為了保障數據安全，硬盤陣列還須每3到5年備份一次，這更進一步增加了資源的耗費。

　　革新的關鍵在于存儲介質的升級。顧敏說：“我們的解決方案是納米光電子。”

　　1873年, 德國物理學家恩斯特·阿貝發現了著名的“衍射極限”，奠定了現代光學成像器件及光存儲的基礎，同時也將DVD及藍光技術的存儲密度制約在5GB到25GB的物理瓶頸。

　　從那以后，如何突破衍射極限的屏障，就是一代代科學家奮斗的目標。上世紀90年代，斯特凡·赫爾等科學家就利用熒光分子規避了衍射極限，獲得超高分辨率熒光顯微鏡，并憑此成果斬獲了2014年的諾貝爾獎。

　　人們所熟知的光盤也面臨著同樣的玻璃天花板。為了讓光盤體積更小、容量更大、屬性更“綠”，顧敏和他的同事們從未停下鉆研的步伐。

　　2009年，顧敏團隊首次在納米材料中實現了五維光存儲，突破了藍光DVD三維存儲的技術瓶頸；2013年，顧敏團隊發明了突破性的SPIN技術，在體積不變的情況下讓存儲量急劇增大。一張SPIN光盤的容量相當于10000張DVD。

　　經過不懈的攻堅克難，顧敏團隊終于實現了單盤PB容量的綠色光子存儲技術，儲存能力是藍光技術的40萬倍。也就是說，原來百米尺度的PB級數據中心，現在用一張10厘米尺度的光盤就能代替，節約大量基礎設施料和90%以上的能耗。這讓EB級甚至ZB級的大數據中心不再是天方夜譚。

　　這一成果問世后，顧敏和同事們由衷感嘆：“我們迎來了新紀元。”他們相信，PB容量綠色光子存儲技術的發展，將掀起信息技術領域的新革命, 開啟一個可持續發展的大數據時代，為建設更加綠色、更大容量、更高速度的全光光子大數據中心奠定基礎。

　　在報告中，顧敏特別提到了自己與中國科學家的一系列合作。他還表示自己有一個夢想，讓中國的每一個縣都擁有光學數據中心。“中國有約3000多個縣，這是一個巨大的市場。”顧敏說。

　　中國工程院外籍院士尼古拉斯·佩帕斯

　　為生物醫學設計智能材料

　　“1992年的12月，一場疾病改變了我的人生。”報告中，中國工程院外籍院士、美國國家工程院院士尼古拉斯·佩帕斯分享了自己的一段經歷。當時他病痛難忍，無法行走，直到一種叫作β干擾素的生物活性物質注射進他的肌肉后，他的身體狀況才得到好轉。

　　“就是從那時起，我意識到了生物醫學這一領域的重要性。”他說。

　　在佩帕斯看來，人們正生活在醫學發展史上最為激動人心的時代。先進的生物醫學材料、改良的生物分子、先進的醫療器材都在提高患者的生命質量；各種新興的技術、理念、方法乃至醫療系統，都讓“治病”這件事變得更加個性化，可以針對每一位個體設計不同的治療方案。

　　在越來越先進的生物醫學解決方案中，高級生物材料的重要性不斷凸顯。

　　“我在麻省理工學院獲得碩士學位那年，最關注的就是植入身體的材料必須無毒無害。”佩帕斯說。然而隨著這一學科的迅猛發展，他發現無毒無害只是最基礎的要求。這些材料能否被人體免疫系統接受？能不能盡快被人體代謝降解？在儲存環境下能否保持穩定？材料成本是否足夠低廉，不給國家財政造成過大負擔？所有這些問題，都關系到他科研工作的成敗。

　　2016年，佩帕斯等人在《自然》雜志上發表文章：“制造更好、更安全的生物材料”。對臨床應用的執著敦促他們對一種又一種新型聚合物開展測試和實驗。

　　現在，佩帕斯的目光正投向未來的生物材料。他說：“接下來，我們將要探索智能生物材料在大分子釋藥和分子識別中的幾種具體應用。這些材料在疾病治療、生物傳感和再生醫學中非常有用。”

　　智能生物材料能與人體內天然存在的生物化學成分進行互動，而不會引起任何副作用。當人生病時，身體無法對常規的生理生化活動進行自主調節，如果智能材料能參與到人體的代謝、再生、愈合等自然機制中，將顯著提高病人舒適度，極大地緩解痛苦，這無疑會是生物醫學領域的巨大飛躍。

　　佩帕斯進一步舉例，理論上，SiRNA療法是一種非常高效的療法，但在臨床應用中，卻由于缺乏一種有效的釋藥系統而停滯不前。2012年，幾位釋藥專家發表了一種SiRNA口服釋藥的載體。暴露在消化道中時，這種載體能抵抗特殊的pH環境和消化酶，將藥物靶向送達患病組織。鑒于SiRNA無法自行通過細胞膜，這種載體能攜帶著SiRNA藥物被細胞吞噬，之后再通過溶酶體逃逸將藥物釋放出來。

　　“這些生物材料具有極大的市場潛力。”佩帕斯說。他欣喜地看到，納米技術、生物化學、分子生物學、材料學等不同學科的人才正會聚在一起，眾志成城，致力于通過智能生物材料的研發來解決醫學上的重大難題。

　　中國工程院外籍院士邁克爾·霍夫曼

　　實現廢水就地處理的“廁所革命”

　　世界廁所組織數據顯示，全球有24億人沒有廁所或生活在廁所衛生較差的環境中，一些國家因此引發瘧疾等大量疾病，因為直排污物造成土壤、食物和水污染。

　　在5月30日舉行的中國工程院第十四次院士大會全院學術報告會上， 中國工程院外籍院士、加州理工學院環境科學與工程系教授邁克爾·霍夫曼為大家帶來了一場關于“廁所革命”的報告。

　　“這個項目是2011年在我研究生涯的后半程開始的。”霍夫曼40多年的學術生涯研究涉及大氣化學、化學動力學、催化氧化與還原、光化學、光催化、納米技術、超聲化學、光電化學、脈沖等離子體化學、環境水化學和微生物學等廣泛的領域。

　　在比爾及梅琳達·蓋茨基金會的資助下，霍夫曼課題組開發、測試并實施了便捷式反應系統，該系統專門為生活廢水的就地處理而設計。

　　生活廢水在用一套連續的厭氧/好氧折流式生物反應器預處理之后，廢水緊接著會通過半導體電化學陣列被處理，這里的化學需氧量（COD）和微生物量都會降低到美國環境保護署（EPA）的重新使用標準值以下。

　　“用特制的迷你反應器將處理過的廢水轉化成可以用來洗手和飲用的新水。”霍夫曼介紹說，“處理過的廢水就會被收集到沖洗水箱中而不會被排放到周圍的環境中。”

　　飲水與廁所有關的疾病是五歲以下兒童死亡的主要原因之一，不安全供水和廁所與兒童生長遲緩有關，影響全球1.56億兒童。

　　據介紹，霍夫曼課題組設計的反應系統可以通過消除懸浮顆粒并減少95%以上的化學需氧量（COD）以及整體消除糞大腸菌群、大腸桿菌、病毒和大腸菌群來凈化廢水。原理是：原地氯化物與水的陰極還原所形成的氫之間的反應會產生陽極活性氯，腸道菌群消毒可以通過這種陽極活性氯來對付細菌和病毒。

　　目前，該系統的第三代樣機正在缺乏廢水排放處理的常規城市基礎設施的地方進行實現試驗。

　　2013年，霍夫曼和中國的研究院校、企業開展了合作，他們在江蘇宜興成立了公司，為發展中國家制造太陽能設備并提供相關的生物化學和電化學反應器系統。

　　“我們正在進行廣泛的樣機制造，并在一些地方開展試點。”霍夫曼介紹，他們在宜興的一所小學里安裝了相關的廁所設施，效果不錯。同時，在一家公園里也安裝了光伏發電多人用廁所設施，日接待人數可達2600人。

　　此外，他們還在印度建立了與ERAM科學及科勒公司（美國/中國）的額外工業合作，生產用適用于印度城市和郊區環境的設備。

　　關于成本問題，霍夫曼表示，核心半導體陽極的性能和耐用性提升以及材料的改進，將持續不斷地降低生產成本，而且安裝完成的處理系統可以在沒有外部電源或淡水的情況下正常工作。

　　“目前，用于南非、秘魯、華南和柬埔寨的大型設備已經組裝完畢。”霍夫曼說，“我們希望帶來一場‘廁所革命’，5年內實現從設計理念到全面量產，發展中國家的衛生狀況改善作出貢獻。”

　　中國工程院外籍院士尼古拉斯·羅伯特·萊蒙

　　溶瘤病毒療法可防治癌癥

　　近些年，人類對癌癥細胞的產生、癌細胞發展中基因和分子變化的研究，使得通過靶向惡性腫瘤細胞中特殊的信號傳導途徑和檢查點的異常來研發新的治療方法，成為現實。

　　中國工程院外籍院士、英國巴茨癌癥研究所所長尼古拉斯·羅伯特·萊蒙從基因組學和分子病理學角度研究癌癥，在癌癥的生物治療和疫苗研發方面有了新的突破，他的科研項目涉及基因修飾的溶瘤病毒和重新靶向的免疫細胞在病人身上的早期臨床試驗。

　　“我的工作就是探尋溶瘤病毒與癌癥之間的關系。”萊蒙說。

　　報告會上，萊蒙介紹了溶瘤病毒作用腫瘤細胞的基本原理和過程。病毒被修飾后將只會有選擇性地在腫瘤細胞里復制，而不在正常細胞中復制，并且在復制過程中引起腫瘤細胞溶解并釋放新的病毒子。

　　據萊蒙介紹，被釋放出來的新病毒可再次感染臨近腫瘤細胞，進行下一輪的感染和溶腫瘤細胞。

　　將溶瘤病毒療法應用到癌癥治療中，發現p53、pRB是溶瘤病毒療法起關鍵作用的兩個重要基因。p53抑癌基因通過調控相關信號通路參與DNA復制與修復，如果修復失敗，P53即啟動程序性凋亡過程誘導細胞自殺，阻止有癌變傾向的突變細胞的生成，從而防止細胞惡變。

　　通過對比溶瘤病毒療法與其他常規化學療法治療癌癥的療效，發現溶瘤病毒療法能使腫瘤縮小，并且經過長期隨訪觀察發現，1年后，溶瘤病毒療法可有效殺死癌細胞。萊蒙表示，經證實，溶瘤病毒療法對晚期癌癥的治療也有很好的效果。

　　研究表明，免疫系統可能是治療癌癥和預防癌癥復發的最有力武器。溶瘤病毒不僅可以直接溶解感染的惡性腫瘤細胞，并且可以引起強大的特異性機體免疫反應，攻擊病毒抗原和腫瘤細胞特異的突變抗原。

　　萊蒙在報告會上介紹，溶瘤病毒通過DCs攝取所釋放的腫瘤抗原，使得DCs成熟和腫瘤特異性T細胞啟動，活化后的腫瘤特異性T細胞經血液輸回，最后通過細胞毒性T細胞識別和殺死大量的腫瘤細胞，進而防止癌細胞擴散。

　　“這種抗腫瘤特異性免疫反應可通過武裝溶腫瘤病毒表達細胞因子和趨化因子，來增強腫瘤特異免疫細胞向腫瘤微環境內的聚集和活性。”萊蒙說道。

　　萊蒙表示，針對此免疫療法開發的新型的腫瘤治療制劑，主要用于治療臨床中沒有有效治療方法的癌癥。這些癌癥包括胰腺癌和食管癌。胰腺癌被預言將在2030年成為西方世界第二大致死癌癥，食管癌在中國部分地區是第一大致死癌癥。

　　食道癌的防治，是困擾河南省的一個很大的公共衛生和健康問題。萊蒙與鄭州大學醫學科學院聯合研究，成立了中英分子腫瘤研究中心，并在這一領域開展國際化和跨學科合作。將溶瘤病毒技術應用到食管癌的治療中，對食管癌的治療和預防采取了一系列有效措施。