清华大学的这些项目,为什么能获国家科学技术奖?

时间:2019-01-17            浏览量:1834            打印


日前,2018年度国家科学技术奖励大会在北京隆重举行。在此次奖励大会上,清华校友、雷达与信号处理技术专家刘永坦院士获得“2018年度国家最高科学技术奖”。清华大学共有24项优秀科技成果获得2018年度国家科学技术奖励。

其中,清华大学作为第一单位或第一完成人所在单位获国家科学技术奖15项,获奖数量居全国高校首位,获奖总数和一等奖获奖数均创历史新高。集中体现了清华近年来不断加强学科建设、持续提升创新能力、服务国家战略和社会经济发展所取得的显著成效。    


量子反常霍尔效应,可能开启下一次信息技术革命

物理系薛其坤院士等完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”项目获国家自然科学奖一等奖。

“量子反常霍尔效应”——当第一次听说这个名字,许多人都会一头雾水。但在物理学家眼中,它"神奇"又"美妙",因为它的发现可能带来下一次信息技术革命。

在普通导体中,电子的运动轨迹是杂乱无章的,不断发生碰撞。当在导体两端加上电极之后,电子就会形成横向漂移的稳定电流。如果在垂直的方向加上外磁场,材料里的电子由于磁场的作用力,会跑到导体的一边形成积累电荷,最终会达到平衡形成稳定的霍尔电压,这就是霍尔效应。 

当我们长时间使用手机、电脑时,经常会遇到发热、卡顿、耗电量变多等问题,这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道,它们相互碰撞从而发生能量损耗。量子霍尔效应的发现,为我们突破摩尔定律和集成电路的发展提供了一个全新的原理。

但它的产生需要非常强的磁场,相当于外加10个计算机大的磁铁,不但体积庞大,而且价格昂贵,显然不适合个人电脑和便携式计算机。而量子反常霍尔效应不需要任何外加磁场,即可实现电子的有序运动,更容易应用到人们日常所需的电子器件中。

形象地说,这个发现可以改变电子的运动轨迹,使其像在高速公路上行驶的汽车一样有序。

这项发现可能会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展,带来下一次信息技术革命。如果采用这种技术设计集成电路和元器件,千亿次的超级计算机有望做成平板电脑那么大,智能手机的内存可能会提高上千倍。

这项成果已被国际多个实验室重复确认,2016年诺贝尔物理奖得主霍尔丹将其列为拓扑量子物质领域近二十年最重要的实验发现,是建国以来我国物理学家发现的一个重要科学效应。

 

自动电压控制系统,世界首个管控复杂电网电压的“大脑”

电机系孙宏斌教授等完成的“复杂电网自律-协同自动电压控制关键技术、系统研制与工程应用”项目获国家科学技术进步奖一等奖。

项目历时20余年,突破了基础理论和关键技术,解决了复杂电网自动电压控制这一世界性工程难题,研制出世界上首个管控复杂电网电压的“大脑”——自动电压控制系统(AVC),实现了现代电网电压控制“从人工到自动,从离线到在线”的跨越。

“为了应对在复杂电力系统中实现系统级的自动电压控制,我们采用了‘自律+协同’的技术路线”,孙宏斌介绍说,”为了应对控制模式的复杂,我们结合调度分工的要求首先实现自律控制,然后再通过控制中心间的双向信息互动,让位于不同城市的控制中心协同工作,使电网在更大范围内实现优化的电压分布“。

这项成果已在我国电网大范围应用,在保障我国电网安全、减少弃风弃光和降低电网传输损耗等方面创造了重大效益。

此外,在美国最大最重要电网——PJM实现了美国首例AVC,用于控制美国首都华盛顿特区和东部13个州的电压,是我国先进电网控制系统首次出口美国。

目前全球无替代技术,是我国智能电网核心技术引领世界的一项重大标志。


脑部起搏器, 让帕金森病患者“重启”健康人生

航院李路明教授等完成的“脑起搏器关键技术、系统与临床应用”项目获国家科学技术进步奖一等奖。

心脏起搏器,相信大家都听说过,但对于脑起搏器,恐怕就比较陌生了。脑起搏器有什么作用,难道大脑也需要“起搏”?

“脑起搏器也称为脑深部刺激器,它是一种直接作用于神经中枢的装置,主要用来治疗帕金森病等神经系统疾病。”清华大学航天航空学院航空宇航工程系教授、神经调控技术国家工程实验室主任李路明说。

帕金森病等神经系统疾病严重危害患者健康,也给患者家庭、社会带来沉重的负担。据估计,到2030年,我国的帕金森病患者人数将占到全球患者总数的一半。通过植入电极直接刺激大脑,脑起搏器可以显著改善患者的生活质量,是高端医疗器械的典型代表。

脑起搏器技术难度大,一直被美国独家垄断。由李路明领衔的“脑起搏器关键技术、系统与临床应用”项目历经17年,通过医工融合自主突破核心技术,打破垄断,并通过原创的理论、方法和技术,实现全球引领。

原创变频刺激疗法和变频脑起搏器,解决了帕金森病晚期步态障碍治疗的世界难题;实现体外无线充电的“零灼伤”,全球首次实现脑起搏器10年以上的质保寿命;创新电极技术和手术方法,解决了头颈运动引起电极断裂的临床难题;首创安全可靠的远程程控技术,解决了异地患者术后返诊难题。

尤为值得一提的是,产品疗效显著,平均给每位患者节省10万元,三年节支4亿元,出口4个国家。2017年国内市场占比达60%,开创了我国有源植入医疗器械超越进口的先河,是近20年该领域实现领跑的成功范例。

 

清华大学工程结构创新团队:结构有形,梦想无限

土水学院聂建国院士和张建民院士带领的“清华大学工程结构创新团队”获得国家科学技术进步奖一等奖(创新团队)。


团队成立18年来,扎根中国大地,始终坚持“顶天、立地、树人”的发展目标,以“源于工程、服务工程、引领工程”为己任。期间,团队成员2人增选为中国工程院院士、5人入选“长江学者计划”、2人获“国家杰出青年基金”资助、6人获“国家优秀青年基金”资助。

团队成果直接应用于建筑、桥梁、高坝、国防、海洋等多个领域的320余项大型复杂工程,应用范围覆盖中国29省市自治区及7个海外国家和地区,应用新成果可使结构重量减轻40%以上,综合造价降低10%~20%,实现了工程结构“高适用性、高安全性、高经济性、高耐久性”的性能提升。

授权国家发明专利120项,被40余部设计规范规程采纳,获国家技术发明奖一等奖2项、国家科学技术进步奖二等奖2项,取得了显著的技术经济与社会效益。

 

耳聋诊断芯片, 避免人间无声悲剧上演

医学院程京院士等完成的“遗传性耳聋基因诊断芯片系统的研制及其应用”项目,荣获2018年度国家技术发明奖二等奖。

有数据显示,听力障碍已成我国第二大出生缺陷疾病。我国现有听力残疾人2054万,其中0—6岁儿童超过80万人,且每年新增3万聋儿。在治疗方面,除昂贵的人工耳蜗植入外,重度耳聋尚无法治疗。因此,早期诊聋防聋至关重要。

研究表明,约有67%重度耳聋是因为遗传因素导致,正常人中也有约4-5%的耳聋基因携带率,是造成成人后天聋和生育下一代聋儿的主要原因。然而,传统的耳聋筛查和诊断技术要么操作繁琐、通量低;要么平台昂贵且耗费人力物力。因此,我们迫切需要一款高精度、高灵敏度、高通量、低成本的新型基因突变检测技术及配套设备,以实现规模化预防耳聋。

由清华大学、中国人民解放军总医院和博奥生物集团有限公司联合研发的“遗传性耳聋基因诊断芯片系统的研制及其应用”项目,发明了多重等位基因特异性扩增及通用芯片技术,并在此基础上研制出全球首款耳聋基因诊断芯片,可同时检测4个最常见致聋基因上的9个突变热点,使我国成为国际上规模最大的对遗传病进行分子筛查的国家。

目前项目已推广到全国包括台湾在内的30余个省市及越南等地,并已在20个省市纳入政府民生工程。

截至2018年底,全国接受遗传性耳聋基因筛查的新生儿数量超过300万,检出总突变率为4.4%,其中药物致聋基因携带者就有8000多人,直接避免了受检者和家庭成员约8万多人因使用药物不当而致聋。

 

声表面波滤波器,保障国家移动通讯安全

材料学院潘峰教授等完成的“高世代声表面波材料与滤波器产业化技术”项目获国家科学技术进步奖二等奖。

声表面波滤波器是移动通讯系统信号收发的核心器件。高世代(3G、4G和5G)滤波器长期依赖进口,被国家发展改革委和工信部等联合认定为“影响国家安全器件”的第二位。

项目组研发出“高功率、大带宽、小体积”滤波器产业化技术,将器件功率提升10倍,相对带宽增加4倍,器件尺寸缩小至原来的1%,建立了年产能30亿只自主知识产权的声表材料与滤波器生产线。


产品现已成功应用于国产品牌手机,并出口到韩国三星等,发展的声表面波滤波器件与模块大量应用于我国相控阵雷达、预警飞机和驱逐舰等,为防务领域提供了器件保障。

近三年新增产值13.46亿元,新增利税4.46亿元,创汇3950万美元。项目经济和社会效益显著,创新突出,整体处于国际先进水平,在声表面波滤波器换能器结构与功率耐受性能、大带宽器件设计技术等方面达到国际领先水平。


大规模街景采集系统,填补国内空白

计算机系胡事民教授等完成的“大规模街景系统及其位置服务关键技术”项目,获国家科学技术进步奖二等奖。

项目针对城市街景数据这一重要国家战略资源,提出了街景处理与位置服务的一系列创新技术,自主研发了大规模街景及位置服务系统,填补了国内在大规模街景采集技术与在线网络服务方面的空白。

项目在国内最早开展了大规模街景数据采集,成为国内首家获得资质并正式运营的街景系统,总里程超过100万公里,覆盖296座城市。街景项目已经应用在了微信、QQ等各社交平台上,并且开放了API接口,服务超过10亿腾讯用户。


智能驾驶辅助系统,让无人驾驶“智能”又“节能” 

汽车系李克强教授等完成的“基于共用架构的汽车智能驾驶辅助系统关键技术及产业化”项目,获国家科学技术进步奖二等奖。同时也是本年度交通运输组获奖项目中唯一的汽车类项目。

智能驾驶辅助系统是实现汽车无人驾驶的必由之路,正引发世界各国的激烈角逐,该系统长期由国外零部件巨头垄断。

项目组首次提出智能驾驶辅助系统的新型共用架构,基于该架构突破了汽车节能与安全驾驶辅助技术瓶颈,形成了自主知识产权的系列化核心技术,打破了国外汽车公司在该领域的技术垄断,所研发的驾驶辅助产品在与国际知名汽车零部件供应商的竞标中胜出,首次实现了在我国乘用车和商用车企业的大规模前装配套,包括广汽、上汽通用五菱、吉利、宇通、金龙等企业的40余款车型,引领了我国智能汽车产业在该领域的发展方向。