心中有信仰 腳下有力量
——記清華大學(xué)成形裝備及自動(dòng)化研究所團(tuán)隊(duì)

杜月嬌

1914年11月5日，梁?jiǎn)⒊壬谇迦A園作了一場(chǎng)題為“君子”的演講。在這次演講中，他鼓勵(lì)清華學(xué)子“崇德修學(xué)，勉為真君子”，如此方能“挽既倒之狂瀾，作中流之砥柱”。也是在這次演講中，他著重闡述了“天行健，君子以自強(qiáng)不息；地勢(shì)坤，君子以厚德載物”的精神。從此，“自強(qiáng)不息，厚德載物”被寫(xiě)入清華大學(xué)校訓(xùn)，成為一代代清華人的精神源泉。

誕生于國(guó)家和民族危難之際，成長(zhǎng)于國(guó)家和民族奮進(jìn)之中，發(fā)展于國(guó)家和民族振興之時(shí)——轉(zhuǎn)眼間，清華大學(xué)已經(jīng)走到了110歲華誕，而“君子”之道也已經(jīng)穿過(guò)百年時(shí)空，走出了扎根中國(guó)大地，建設(shè)世界一流大學(xué)之路。

“這是一條知恥圖強(qiáng)、堅(jiān)持正確方向之路，一條又紅又專(zhuān)、堅(jiān)持立德樹(shù)人之路，一條行勝于言、堅(jiān)持服務(wù)國(guó)家之路，一條人文日新、堅(jiān)持改革創(chuàng)新之路?！庇们迦A大學(xué)校長(zhǎng)邱勇的話說(shuō)，清華人最高的榮耀，就是把自己奮斗的足跡印刻在民族復(fù)興的偉大征程上。

110年，歲月崢嶸，自強(qiáng)成就卓越。110年，薪火相傳，創(chuàng)新塑造未來(lái)。在歷史積淀中，這是清華人的底氣，也是清華人的共識(shí)。

清華大學(xué)成形裝備及自動(dòng)化研究所團(tuán)隊(duì)合影（前排左起：龐媛、張婷、熊卓、馬慶賢、蔡志鵬、林峰、常保華、徐弢、姚睿、孫超；后排左起：張磊、李克儉、鄭軍、趙滄、袁朝龍、韓贊東、孫振國(guó)、劉瞿）

成長(zhǎng)在這樣的土壤中，清華大學(xué)機(jī)械工程系成形裝備及自動(dòng)化研究所的底色也是自信從容的。在這里，有這么一群人——他們“頂天立地”，努力實(shí)現(xiàn)前瞻性基礎(chǔ)研究、引領(lǐng)性原創(chuàng)成果重大突破，勇于攻克“卡脖子”的關(guān)鍵核心技術(shù)，摸準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)的脈動(dòng)解決了一個(gè)又一個(gè)實(shí)際工程問(wèn)題。憑著科技創(chuàng)新的硬實(shí)力，他們?cè)谇迦A園里書(shū)寫(xiě)著自己的“君子”之道。

在傳承中發(fā)展——知難而進(jìn)走出君子之道

清華大學(xué)機(jī)械工程系，始建于1932年，是清華大學(xué)最早成立的工科系之一，也是中國(guó)歷史最悠久的工程學(xué)科院系之一。

櫛風(fēng)沐雨90載，清華大學(xué)機(jī)械工程系經(jīng)歷過(guò)南遷北上，經(jīng)歷過(guò)院系調(diào)整，但不管哪一個(gè)時(shí)期，機(jī)械工程系都沒(méi)有忘記成立之初的宗旨——“造就各項(xiàng)機(jī)械工程專(zhuān)門(mén)人才，適應(yīng)國(guó)內(nèi)社會(huì)需要”。清華大學(xué)成形裝備及自動(dòng)化研究所就是在這方厚土上生長(zhǎng)起來(lái)的。

“知難而進(jìn)，勇于攀登；團(tuán)結(jié)合作，共同戰(zhàn)斗；只求貢獻(xiàn)，淡泊名利?！痹诔尚窝b備及自動(dòng)化研究所，成員們提到最多的就是這段話。而這段話出自著名焊接專(zhuān)家、中國(guó)科學(xué)院院士潘際鑾。

作為中國(guó)焊接科學(xué)技術(shù)的奠基人之一，20世紀(jì)50年代，潘際鑾與其他先輩共同創(chuàng)建了我國(guó)最早的焊接專(zhuān)業(yè)。但他也是自1950年師從蘇聯(lián)焊接專(zhuān)家普羅霍洛夫起，才正式接觸這一專(zhuān)業(yè)。原因只有一個(gè)：國(guó)家需要什么，就做什么。

很快，新的挑戰(zhàn)來(lái)了。1959年，我國(guó)決定啟動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)焊接轉(zhuǎn)子研究。焊接轉(zhuǎn)子是世界能動(dòng)裝備制造行業(yè)中的頂尖技術(shù)，也是能動(dòng)裝備制造商的核心技術(shù)。由于門(mén)檻過(guò)高，從1930年瑞士造出世界第一根汽輪機(jī)焊接轉(zhuǎn)子開(kāi)始，該技術(shù)長(zhǎng)期壟斷在國(guó)外極少數(shù)廠家手中。在1962年到1964年我國(guó)第一根焊接轉(zhuǎn)子的研發(fā)攻關(guān)中，潘際鑾、蘇毅、羅志昌、洪忠許、胡百僖、吳志強(qiáng)、鹿安理等老一輩清華科學(xué)家作出了重大貢獻(xiàn)。為了盡快實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，他們常駐到工廠一線；沒(méi)有先進(jìn)的計(jì)算設(shè)備，想要搞清一個(gè)變形問(wèn)題，他們手工計(jì)算的稿紙可能就要堆滿(mǎn)房間。但就是在這樣的環(huán)境下，1964年，他們就在上海電氣成功焊接了中國(guó)第一根6MW壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子。這是我國(guó)大型部件焊接制造的一個(gè)里程碑，為我國(guó)電站設(shè)備、大型動(dòng)力裝備等關(guān)鍵部件的自主制造作出了重大的貢獻(xiàn)。

數(shù)十載的科研生涯中，潘際鑾一直在迎接各種挑戰(zhàn)。他完成了中國(guó)自主生產(chǎn)的第一套核反應(yīng)堆焊接工程，成功研發(fā)了中國(guó)第一臺(tái)電子束焊機(jī)；研制的爬行式弧焊機(jī)器人，屬?lài)?guó)際領(lǐng)先水平；為國(guó)內(nèi)第一條高速鐵路京津城際高鐵的開(kāi)通作出了重大貢獻(xiàn)……

2008年始，為了攻克“華龍一號(hào)”核電低壓焊接轉(zhuǎn)子的制造難題，清華大學(xué)與上海電氣等單位聯(lián)合開(kāi)展國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)。彼時(shí)，蔡志鵬已經(jīng)加入潘際鑾團(tuán)隊(duì)，幾乎常駐在一線車(chē)間里，他對(duì)潘先生最直接的印象就是勇往直前的“大膽”?！芭死蠋煹乃季S不受局限，只要他覺(jué)得這件事對(duì)國(guó)家有用，就敢想敢干，特別大膽?！?/p>

現(xiàn)在，蔡志鵬已經(jīng)是成形裝備及自動(dòng)化研究所所長(zhǎng)。在他看來(lái)，以潘際鑾先生為首的老一輩科學(xué)家創(chuàng)造的，不僅是一個(gè)個(gè)標(biāo)桿性的科技成果，更有可以傳承發(fā)揚(yáng)的精神財(cái)富。他們以國(guó)家需求作為奮斗的方向，把“知難而進(jìn)，勇于攀登”沉淀成了行為準(zhǔn)則，一直影響到今天成形裝備及自動(dòng)化研究所的成長(zhǎng)與發(fā)展，影響到在研究所奮斗的每一個(gè)人。

組織調(diào)控和制造可靠性——以人為本凝聚“戰(zhàn)斗”力量

剛參加“華龍一號(hào)”項(xiàng)目時(shí)，蔡志鵬34歲。

“‘華龍一號(hào)’里的汽輪機(jī)低壓焊接轉(zhuǎn)子，是核電的關(guān)鍵部件，也是核電自主化的控制性構(gòu)件。過(guò)去只有日本、德國(guó)、法國(guó)能生產(chǎn)出來(lái)，嚴(yán)重制約了我國(guó)核電發(fā)展?！辈讨均i回憶道。

核電低壓轉(zhuǎn)子就是典型的能動(dòng)裝備。能動(dòng)裝備不給力，國(guó)家發(fā)展就會(huì)被“卡脖子”。但真干起來(lái)也不容易。作為我國(guó)自主研發(fā)的第三代核電機(jī)組，“華龍一號(hào)”中的汽輪機(jī)低壓焊接轉(zhuǎn)子，是目前世界上尺寸最大、重量最重的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)每分鐘轉(zhuǎn)速高達(dá)1500轉(zhuǎn)。更重要的是，這根轉(zhuǎn)子需要在高溫、濕蒸汽環(huán)境下安全服役60年，不能出任何問(wèn)題?！叭绻l(fā)生脆性斷裂，就會(huì)造成災(zāi)難性事故。我們必須從提高韌性的角度開(kāi)始研究，使其充分滿(mǎn)足核電要求?！辈讨均i說(shuō)。他們的目標(biāo)就是解決核電低壓轉(zhuǎn)子強(qiáng)度和韌性相互制約的關(guān)鍵性難題，而最終，他們的成果也在我國(guó)首臺(tái)百萬(wàn)等級(jí)核電“華龍一號(hào)”機(jī)組汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子的成功研制上發(fā)揮了重要作用。

2021年5月20日01時(shí)15分，“華龍一號(hào)”海外首堆工程——卡拉奇核電站2號(hào)（K-2）機(jī)組正式投入商業(yè)運(yùn)行，預(yù)計(jì)年發(fā)電量約90億千瓦時(shí)?？ɡ婧穗婍?xiàng)目，是巴基斯坦國(guó)內(nèi)目前最大的核電項(xiàng)目，也是中國(guó)首個(gè)“華龍一號(hào)”國(guó)際化落地項(xiàng)目，是國(guó)家“一帶一路”宏偉藍(lán)圖指引下落實(shí)的重要項(xiàng)目。蔡志鵬團(tuán)隊(duì)耗時(shí)10年的創(chuàng)新成果在該項(xiàng)目的焊接轉(zhuǎn)子中得到應(yīng)用。

2011年，剛進(jìn)入“直博”階段的李克儉就加入了卡拉奇項(xiàng)目?！八邪l(fā)的焊絲非常厲害?！辈讨均i忍不住贊揚(yáng)起來(lái)。2018年5月，以李克儉為第一完成人的“一種用于異種鋼焊接接頭的高熱強(qiáng)性焊絲”，正式申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利并終獲授權(quán)。

據(jù)介紹，大量的火電、核電高溫構(gòu)件在制造過(guò)程中均會(huì)涉及異種鋼的焊接連接問(wèn)題。不同鋼種之間的焊接連接，以及相同鋼種之間使用不同于其成分的焊材連接形成的焊接接頭都可稱(chēng)為異種鋼焊接接頭，其中低合金貝氏體耐熱鋼與高合金馬氏體耐熱鋼之間的焊接接頭是發(fā)電、石油、化工行業(yè)中較為常見(jiàn)的異種鋼焊接接頭。這兩種被連接鋼種之間較大的Cr元素含量梯度，為焊材的選擇提出了較大的挑戰(zhàn)。

“我們需要一個(gè)特種焊絲，原本用的是法國(guó)的產(chǎn)品，其中一個(gè)性能不達(dá)標(biāo)，但法國(guó)的焊絲已經(jīng)是當(dāng)時(shí)行業(yè)內(nèi)最高性能的產(chǎn)品了?！焙髞?lái)，李克儉和蔡志鵬決定自己做更匹配的焊絲，他們研制了低C活度、以M23C6及MX為強(qiáng)化相的專(zhuān)用焊絲，解決了接頭碳遷移、異種鋼回火以及高溫持久強(qiáng)度不足的綜合難題。當(dāng)他們按照標(biāo)準(zhǔn)交出了幾百公斤焊絲時(shí)，合作方十分嘆服，畢竟在大眾眼中，做產(chǎn)品，并不是高校的特長(zhǎng)。最終，相關(guān)成果被應(yīng)用于我國(guó)第一根超臨界12%Cr異種鋼轉(zhuǎn)子（2016年投運(yùn)），以及我國(guó)第一根百萬(wàn)等級(jí)620℃超超臨界異種鋼焊接轉(zhuǎn)子上。

“我印象比較深刻的是在2017年，合作方發(fā)現(xiàn)焊接的時(shí)候總是出現(xiàn)不規(guī)則氣孔，還一直找不到原因?！崩羁藘€說(shuō)。一個(gè)核電轉(zhuǎn)子的產(chǎn)值以?xún)|元計(jì)，一旦出問(wèn)題，損失巨大。經(jīng)過(guò)認(rèn)真調(diào)研與分析，清華的團(tuán)隊(duì)通過(guò)焊絲表面檢測(cè)找到了主要原因：原本用于CO2氣保焊的焊絲，表面清潔度不能達(dá)到TIG焊的要求。

“我們要把焊絲表面的油污洗下來(lái)。選擇高極性溶劑可以洗得很干凈，但由于溶劑揮發(fā)性強(qiáng)，也會(huì)給分析設(shè)備造成一定的損傷?！眻F(tuán)隊(duì)成員季文說(shuō)，她至今都記得，為了選到性能最好且不損壞設(shè)備的溶劑，他們做了多少努力。

在來(lái)清華大學(xué)機(jī)械工程系讀博之前，劉瞿是中船重工第七二五研究所特種焊材研制中心的工程師。他的工作主要是面向國(guó)家高性能參數(shù)重大裝備自主制造的需求，開(kāi)展材料微觀組織調(diào)控與制造可靠性的理論研究以及新材料和新工藝的實(shí)踐研發(fā)。加入蔡志鵬團(tuán)隊(duì)后，他主要負(fù)責(zé)焊絲的國(guó)產(chǎn)化研究，使其高性能、低雜質(zhì)含量等方面得到有力的保障。2021年下半年，他們有望將國(guó)產(chǎn)焊絲用于核電重大產(chǎn)品上，打破國(guó)外在高性能焊絲上40年的壟斷。

“我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)叫作‘組織調(diào)控和制造可靠性’團(tuán)隊(duì)，重點(diǎn)方向有兩個(gè)：一是上面講述的面向國(guó)家重大需求的能動(dòng)裝備制造研究，潘際鑾院士為我們的能動(dòng)裝備制造研究打下了良好的基礎(chǔ)；二是通過(guò)電磁場(chǎng)提升工業(yè)基礎(chǔ)件壽命與可靠性的研究，我們將之命名為‘正鈞技術(shù)’。”蔡志鵬介紹道。

“正鈞”兩個(gè)字，是團(tuán)隊(duì)成員集思廣益的結(jié)果。“正”意為“調(diào)整”，“钅”代表晶體類(lèi)材料，“勻”指圍觀缺陷均勻化。“正鈞”即為通過(guò)調(diào)整晶體類(lèi)材料的微觀缺陷使之均勻化，提升服役性能。該技術(shù)適用于各種硬質(zhì)合金、高速鋼、金剛石、CBN等材料（含涂層）制成的機(jī)械加工刀具、軸承、齒輪、液壓泵閥及其他存在磨損失效的工業(yè)基礎(chǔ)件。

以高端刀具為例，改善刀具的耐磨性能是提高其使用壽命，提高生產(chǎn)效率的有效途徑之一。2016年起，課題組的吳瑤開(kāi)始與格特拉克（江西）傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司合作，結(jié)合南昌工廠現(xiàn)場(chǎng)CBN刀具使用與加工生產(chǎn)情況進(jìn)行工業(yè)化驗(yàn)證。該公司車(chē)間技術(shù)員兩年后在論文《正鈞技術(shù)在硬車(chē)刀片中的應(yīng)用》中寫(xiě)道：“經(jīng)強(qiáng)化的刀具壽命提高大約30%。經(jīng)過(guò)大批量正鈞化處理使用，刀具成本每年可為我司節(jié)約30余萬(wàn)元?！?/p>

2018年，清華大學(xué)聯(lián)合廈門(mén)金鷺特種合金有限公司、成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司、北京航空航天大學(xué)等單位申報(bào)的國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“航空鈦合金結(jié)構(gòu)件高性能加工技術(shù)成套工藝研究與應(yīng)用”正式啟動(dòng)，幾年下來(lái)，正鈞技術(shù)在高端刀具的工業(yè)化應(yīng)用方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步?，F(xiàn)在，吳瑤帶領(lǐng)幾位年輕人，每年都要承接數(shù)以萬(wàn)計(jì)高端刀具的正鈞處理，正鈞技術(shù)在行業(yè)的影響力也逐漸形成。

“我國(guó)高端刀具依賴(lài)進(jìn)口的問(wèn)題仍然很突出，而通過(guò)正鈞技術(shù)實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品可靠性和穩(wěn)定性的升級(jí)，可以為國(guó)家自主裝備的高端制造作出貢獻(xiàn)?！眳乾幹毖裕褪潜贿@種情懷吸引留在蔡志鵬團(tuán)隊(duì)的。而今，他與季文、王恒、馬雷等人已經(jīng)成為該方向上的主力干將。

除了高端刀具，正鈞技術(shù)在提升高端軸承壽命與可靠性方面也有重大作用。比如，蔡志鵬團(tuán)隊(duì)與中國(guó)航發(fā)哈爾濱軸承有限公司聯(lián)合進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)產(chǎn)主軸軸承正鈞強(qiáng)化研究。實(shí)際測(cè)試表明，正鈞技術(shù)非常顯著地提高了軸承的壽命與可靠性，這為提升國(guó)產(chǎn)高端軸承的性能提供了一條新的途徑。目前，蔡志鵬團(tuán)隊(duì)得到了國(guó)家科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委的大力支持，正在合作開(kāi)展更深入、更系統(tǒng)的研究工作。

蔡志鵬

“機(jī)理透徹、應(yīng)用可靠”是正鈞技術(shù)團(tuán)隊(duì)孜孜以求的方向。在機(jī)理研究方面，正鈞人利用清華大學(xué)交叉學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，嘗試單晶硅、極性溶液等簡(jiǎn)單體系電磁場(chǎng)作用前后理化性能的變化探究作用的機(jī)理，并努力尋求預(yù)測(cè)正鈞強(qiáng)化效果的檢測(cè)原理與方法；在應(yīng)用方面，地勘用鉆、樁機(jī)用截齒、新疆摘棉錠、鈦合金葉片正鈞后都取得了喜人的效果。

蔡志鵬很高興看到這群80后、90后日漸強(qiáng)大。在這個(gè)團(tuán)隊(duì)中，他們是可以把后背交付對(duì)方的“戰(zhàn)友”，平日里有各自獨(dú)立的研究，但當(dāng)項(xiàng)目需要時(shí)，又會(huì)集結(jié)到一起共同“戰(zhàn)斗”?！拔覀兊姆諊貏e好，”蔡志鵬真誠(chéng)地說(shuō)，“我曾經(jīng)從潘際鑾院士那里受益匪淺?，F(xiàn)在有了一些經(jīng)驗(yàn)和判斷力，也希望能打造出一個(gè)‘芭蕾舞’舞臺(tái)，只要他們跳的是‘芭蕾舞’，想怎么跳，我都支持?！?/p>

作為一位70后帶頭人，蔡志鵬尤其愿意去發(fā)現(xiàn)成員們的閃光點(diǎn)。“吳瑤、王恒、馬雷去現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試刀具基本就睡在車(chē)間，工人們有倒班，他們擔(dān)心中間出狀況，都是全程跟進(jìn)。劉瞿今年5月剛正式入職，立馬就去華中科技大學(xué)，處理航發(fā)關(guān)鍵構(gòu)件組織分析的難題……”在他看來(lái)，未來(lái)要規(guī)劃、團(tuán)隊(duì)要發(fā)展，就得以人為核心。他樂(lè)于看到他們腳踏實(shí)地，做絕不摻假的科研；更樂(lè)于看到他們能生活得有尊嚴(yán)?！叭撕昧?，才能做出更好的成績(jī)來(lái)?！?/p>

相對(duì)之下，團(tuán)隊(duì)的每一位成員也有著明確的目標(biāo)，就是“通過(guò)努力把技術(shù)推廣出去，應(yīng)用好”。用王恒的話說(shuō)，“技術(shù)做出來(lái)，能得到認(rèn)可，就是最大的榮耀”?！拔覀冏约旱墓に?，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試后，能得到一個(gè)比較好的結(jié)果。哪怕過(guò)程很辛苦，拿到這個(gè)結(jié)果我們都非常興奮?！瘪R雷補(bǔ)充說(shuō)。

蔡志鵬團(tuán)隊(duì)曾收到過(guò)一面來(lái)自上海汽輪機(jī)廠的錦旗，上面寫(xiě)著“為核電重器鑄基石，助火電高超登新峰”。對(duì)成員們來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)莫大的鼓舞，也讓他們對(duì)未來(lái)滿(mǎn)懷信心?！艾F(xiàn)在，我們國(guó)家正在從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)過(guò)渡，從過(guò)去的跟跑、并跑走向領(lǐng)跑。我們能做的就是，未來(lái)在高端能動(dòng)裝備，包括發(fā)電裝備、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、高端工業(yè)基礎(chǔ)件上作出大建樹(shù)?！?/p>

重型裝備研發(fā)——讓中國(guó)“極端制造”引領(lǐng)世界

2003年，中國(guó)工程院《發(fā)展我國(guó)大型鍛壓裝備研究》咨詢(xún)組（組長(zhǎng)為師昌緒院士）的調(diào)研報(bào)告明確指出：“難變形合金擠壓機(jī)在我國(guó)還是一個(gè)空白，已經(jīng)制約了相關(guān)裝備尤其是軍用先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展。”

這份報(bào)告針對(duì)的是21世紀(jì)初的國(guó)情。當(dāng)時(shí)，我國(guó)使用的大型自由鍛水壓機(jī)已經(jīng)進(jìn)入了壽命后期，故障增多、鍛造能力下降，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品生產(chǎn)。清華大學(xué)機(jī)械工程系教授顏永年曾經(jīng)對(duì)自由鍛造法的“浪費(fèi)”情況深表惋惜。“一個(gè)大管鍛造完成需要兩個(gè)多小時(shí)，進(jìn)行再加工后，材料利用率還不到14%。”

一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題是：對(duì)于60萬(wàn)千瓦以上超臨界、超超臨界火力發(fā)電項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，大口徑厚壁無(wú)縫鋼管必不可少。而此時(shí)國(guó)內(nèi)用于火力發(fā)電站和石化行業(yè)的高品質(zhì)大口徑厚壁不銹鋼管全部依賴(lài)進(jìn)口。

怎么辦？想要在這方面自給自足，已經(jīng)顯出頹勢(shì)的傳統(tǒng)自由鍛水壓機(jī)是供給不了的。相比之下，業(yè)內(nèi)更看好垂直擠壓技術(shù)的前景。在長(zhǎng)期壟斷該技術(shù)的美國(guó)威曼·高登公司，采用成熟的無(wú)縫管垂直擠壓生產(chǎn)技術(shù)，30秒就能生產(chǎn)1根鋼管，且材料利用率高達(dá)85%。不過(guò)，他們將該技術(shù)視為“國(guó)家核心技術(shù)”，拒絕對(duì)外轉(zhuǎn)讓。2004年，北方重工前往美國(guó)考察，兩次均鎩羽而歸，而后，他們?cè)谌澜绶秶鷥?nèi)尋找能轉(zhuǎn)讓該技術(shù)的廠家，也一無(wú)所獲。被人“卡脖子”的滋味不好受，我國(guó)決心自主研發(fā)3.6萬(wàn)噸黑色金屬垂直擠壓機(jī)（360MN垂直擠壓機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)“360工程”），由北方重工挑大梁，而他們選擇的合作對(duì)象，就是清華大學(xué)機(jī)械工程系顏永年團(tuán)隊(duì)。

作為“3.6萬(wàn)噸垂直擠壓大口徑厚壁無(wú)縫鋼管工程”中清華團(tuán)隊(duì)主要成員，吳任東、張磊還是第一次接到這種級(jí)別的重型壓機(jī)項(xiàng)目。

重型壓機(jī)有多重要？學(xué)界認(rèn)為，擁有重型壓機(jī)裝備是美國(guó)、法國(guó)和蘇聯(lián)成為航空產(chǎn)業(yè)三巨頭的關(guān)鍵因素之一。畢竟，缺乏重型擠壓機(jī)和重型模鍛液壓機(jī)，就意味著無(wú)法生產(chǎn)重型核電鋼管、大直徑渦輪盤(pán)等——這也是我國(guó)發(fā)電設(shè)備用大型鑄鍛件長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口，航空用大型承力件只能用其他辦法代替的重要原因。

重型壓機(jī)研制有多難？以我國(guó)二重集團(tuán)的8萬(wàn)噸模鍛壓機(jī)項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目從20世紀(jì)80年代就開(kāi)始論證了，但直到2007年才正式開(kāi)工建設(shè)，2013年初步建成開(kāi)始試生產(chǎn)，歷經(jīng)30多年。

可從2005年開(kāi)始接手做初步方案，顏永年團(tuán)隊(duì)只用4年時(shí)間就設(shè)計(jì)研發(fā)了當(dāng)時(shí)世界上最大噸位的黑色金屬垂直擠壓機(jī)組——3.6萬(wàn)噸擠壓機(jī)和1.5萬(wàn)噸制坯壓機(jī)。作為“新時(shí)期十大標(biāo)志性技術(shù)裝備之一”，“360工程”取得了鋼絲纏繞結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力剖分結(jié)構(gòu)等重大技術(shù)創(chuàng)新；創(chuàng)造了大流量高壓油泵直傳、采用液壓提升技術(shù)安裝、大尺度原位纏繞預(yù)緊等多項(xiàng)世界第一。

令他們感到自豪的是：從1999年到2018年期間，他們持續(xù)為廣東科達(dá)、恒力泰公司設(shè)計(jì)并持續(xù)監(jiān)測(cè)大噸位預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞結(jié)構(gòu)的板材壓機(jī)。產(chǎn)品噸位從4800噸到3.6萬(wàn)噸等幾十個(gè)型號(hào)。每年生產(chǎn)400臺(tái)以上，到2018年共生產(chǎn)銷(xiāo)售壓機(jī)1萬(wàn)臺(tái)以上，目前全世界在線工作的壓機(jī)有6000臺(tái)以上。以前那種“6年建一個(gè)核電站，3年時(shí)間在等鍛件”的時(shí)光一去不復(fù)返了。他們的研究，真正打破了美、德、日三國(guó)壟斷，改變了國(guó)內(nèi)大口徑厚壁無(wú)縫鋼管大量依賴(lài)進(jìn)口的局面，使中國(guó)第一次進(jìn)入世界耐高溫高壓厚壁成型材料的“極端制造”領(lǐng)域。

經(jīng)此一役，團(tuán)隊(duì)得到了充分的成長(zhǎng)。作為團(tuán)隊(duì)骨干之一，張磊也在“3.6萬(wàn)噸垂直擠壓大口徑厚壁無(wú)縫鋼管工程”中嶄露頭角。2008年，團(tuán)隊(duì)接受了新的挑戰(zhàn)：要設(shè)計(jì)一臺(tái)以航空模鍛件生產(chǎn)為主的400MN模鍛液壓機(jī)。針對(duì)航空模鍛件產(chǎn)品的特點(diǎn)，400MN模鍛液壓機(jī)采用了單缸-單機(jī)架布局，即采用一個(gè)主液壓缸產(chǎn)生400MN的額定鍛造力，一個(gè)雙柱機(jī)架承載所有鍛造力。一旦成功，該主缸將是當(dāng)時(shí)世界上最大的模鍛液壓缸。張磊頂住了這份壓力，在顏永年教授提出的剖分坎合基礎(chǔ)上提出了微坎合技術(shù)，完成了400MN模鍛液壓機(jī)的設(shè)計(jì)和制造。2012年，該項(xiàng)目順利投產(chǎn)，生產(chǎn)出了國(guó)內(nèi)第一件細(xì)晶化大型A100鍛件、國(guó)內(nèi)目前投影面積最大的鈦合金整體鍛件等，是起落架、承力框、渦輪盤(pán)等鍛件的主力生產(chǎn)裝備，在國(guó)內(nèi)目前新一代航空器和航發(fā)鍛件的生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。

而從2012年開(kāi)始，吳任東要設(shè)計(jì)研發(fā)另一個(gè)多功能壓級(jí)機(jī)組——6.8萬(wàn)噸多功能機(jī)和2.6萬(wàn)噸制坯壓機(jī)。袁朝龍副教授加入團(tuán)隊(duì)時(shí)，正趕上這一項(xiàng)目。

研究所部分教師在“先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”與“生物制造與快速成形北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”標(biāo)牌前合影

加入?yún)侨螙|團(tuán)隊(duì)之前，袁朝龍的工作重心是大型鍛件成形工藝研發(fā)。在他看來(lái)，6.8萬(wàn)噸多功能模鍛擠壓機(jī)最大的特點(diǎn)是集模鍛與擠壓功能于一身。“擠壓和模鍛兩個(gè)工藝的要求不同，擠壓是為了能成形，要求用最快的速度和最大的力，因?yàn)橐坏┞聛?lái)，鋼筋容易涼，就擠不動(dòng)了。而模鍛要求受力要均勻、速度要平緩，速度過(guò)快的話，容易發(fā)生斷裂。”

為了將看似矛盾的兩個(gè)功能加以兼容，吳任東團(tuán)隊(duì)采用了全新的擠壓/模鍛工模具的結(jié)構(gòu)形式，不僅從根本上改善了工模具在擠壓/模鍛過(guò)程中的受力受熱狀態(tài)，大幅度提高了工模具的使用壽命，還能夠在24小時(shí)內(nèi)完成功能切換。

2015年，團(tuán)隊(duì)完成了擠壓和模鍛功能的熱調(diào)試，在青海成功擠壓出同口徑下立式擠壓鋼管中世界第一長(zhǎng)度的無(wú)縫鋼管。到2020年，世界擠壓類(lèi)第一大口徑TC4鈦合金管也在青海誕生，其外徑700毫米、內(nèi)徑430毫米，壁厚135毫米，長(zhǎng)6.5米。

6.8萬(wàn)噸擠壓和模鍛雙功能重型壓機(jī)的成功，改變了一個(gè)格局——此前，世界上還沒(méi)有過(guò)3萬(wàn)噸以上大噸位壓機(jī)能同時(shí)具備擠壓和模鍛雙功能，中國(guó)的這一成果屬于全球首創(chuàng)！這意味著，在這一方向上，中國(guó)填補(bǔ)了國(guó)際空白，打敗了國(guó)外技術(shù)和產(chǎn)品的雙重壟斷。

以功能論，多功能壓機(jī)擠壓功能在全球排名第一，模鍛功能在全球排名第三。以應(yīng)用論，其出現(xiàn)將為我國(guó)飛機(jī)制造、電力、石油化工、軍工、船舶等領(lǐng)域的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，對(duì)于提高我國(guó)工業(yè)水平和中國(guó)工業(yè)在世界的地位具有深遠(yuǎn)意義。目前，該多功能壓機(jī)已經(jīng)被中車(chē)和商飛等單位聯(lián)合收購(gòu)，并在此基礎(chǔ)上成立了中鈦青鍛公司。

對(duì)吳任東團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，他們是走通了一條路，用實(shí)力證明，我國(guó)擁有制造萬(wàn)噸級(jí)重型設(shè)備的能力。在這個(gè)領(lǐng)域，任何一個(gè)國(guó)家去開(kāi)發(fā)，都要面對(duì)來(lái)自設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、安裝等多方面的壓力，所以萬(wàn)噸級(jí)重型設(shè)備才會(huì)被稱(chēng)為“極端制造”，而在極端制造上的水平也成為衡量一個(gè)國(guó)家制造能力的標(biāo)志。當(dāng)6.8萬(wàn)噸擠壓和模鍛雙功能重型壓機(jī)顯示出遠(yuǎn)超世界同類(lèi)其他設(shè)備的水平，自主制造萬(wàn)噸級(jí)重型設(shè)備看起來(lái)已不是難事，但吳任東團(tuán)隊(duì)卻保持著清醒。在他們看來(lái)，隨著電站功率增大及海上鉆油深度不斷增加，對(duì)厚壁鋼管的口徑及長(zhǎng)度，都會(huì)提出更高的要求。他們還有的忙。

“以現(xiàn)有產(chǎn)品為目標(biāo)的重型壓機(jī)已基本建設(shè)完備，接下來(lái)就會(huì)進(jìn)入優(yōu)化生產(chǎn)工藝階段。我們還應(yīng)該開(kāi)拓新型產(chǎn)品，以引導(dǎo)重型壓機(jī)裝備行業(yè)的發(fā)展?！蹦壳?，吳任東團(tuán)隊(duì)還有很多在研項(xiàng)目，比如：大型寬幅鎂合金板材擠壓工藝和設(shè)備、大型車(chē)軌轍叉整鍛工藝和設(shè)備等。而如果要?jiǎng)澮粋€(gè)重點(diǎn)出來(lái)，就是“16萬(wàn)噸壓機(jī)”，因?yàn)槠錉可娲笮惋w機(jī)的制造。對(duì)于這個(gè)難度系數(shù)，吳任東團(tuán)隊(duì)已經(jīng)有了心理準(zhǔn)備，為了大型飛機(jī)的發(fā)展，再難的硬骨頭，他們也要“啃”下來(lái)。

“我們真正的目標(biāo)是讓中國(guó)極端制造領(lǐng)跑世界?！眳侨螙|表示。

生物制造——有“活力”的成形制造技術(shù)

21世紀(jì)走進(jìn)第二個(gè)10年時(shí)，3D打印仿佛橫空出世一般出現(xiàn)在公眾面前。人們認(rèn)為，在不遠(yuǎn)的未來(lái)，3D打印技術(shù)將會(huì)打破虛擬世界與實(shí)體世界的鴻溝，引發(fā)一場(chǎng)產(chǎn)品制造的革命和設(shè)計(jì)的革命，給材料科學(xué)和生物科學(xué)帶來(lái)翻天覆地的變化。

但很多人不知道，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，3D打印其實(shí)算不上多新鮮。在“3D打印”這個(gè)名字被推廣開(kāi)之前，它還有另兩個(gè)名字：快速原型制造和快速成形技術(shù)。早在1988年，“中國(guó)3D打印第一人”顏永年教授就接觸到了這一技術(shù)。在這之前，他已經(jīng)在金屬材料鍛壓成形工藝和設(shè)備，特別是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的重型模鍛設(shè)備與工藝上有了深厚的積累。甚至1988年去美國(guó)的那次訪問(wèn)，他本來(lái)的目標(biāo)也是學(xué)習(xí)水射切割技術(shù)。沒(méi)想到在偶然得到的一張宣傳單上，他對(duì)“快速成形技術(shù)”一見(jiàn)鐘情。

“從事成形科學(xué)和材料成形的人容易看到它的本質(zhì)和價(jià)值?！鳖佊滥暾f(shuō)。因?yàn)殄懺煨枰玫侥＞卟拍軐⒘慵龀鰜?lái)，而模具開(kāi)發(fā)是一個(gè)非常漫長(zhǎng)的過(guò)程。這時(shí)，如果能利用快速成形技術(shù)，將物體從數(shù)字模型直接轉(zhuǎn)換成物理模型，就意味著可以取消模具設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，整個(gè)制造周期將大大縮短。

回國(guó)后，顏永年在清華大學(xué)成立了國(guó)內(nèi)首個(gè)快速成形實(shí)驗(yàn)室，建立了清華大學(xué)激光快速成形中心，他也是清華大學(xué)材料加工自動(dòng)化研究所第一任所長(zhǎng)和清華大學(xué)生物制造研究所第一任所長(zhǎng)。可以說(shuō)，從那時(shí)起，他的選擇影響了清華大學(xué)在3D打印事業(yè)上的整體進(jìn)度。

比如清華大學(xué)機(jī)械工程系長(zhǎng)聘教授林峰，他自1990年起跟隨顏永年教授研發(fā)預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞和重型液壓機(jī)技術(shù)，1992—1998年間跟隨顏永年攻讀博士學(xué)位，開(kāi)始快速成形技術(shù)的研發(fā)。“那時(shí)候我對(duì)3D打印或者說(shuō)快速成形的重要性，并沒(méi)有深刻的認(rèn)識(shí)。但受顏永年老師感染，我們也逐漸產(chǎn)生了很大的興趣。”

林峰

久而久之，林峰也開(kāi)始認(rèn)同導(dǎo)師顏永年的想法——3D打印不光要制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型，更重要的是要進(jìn)入工業(yè)制造領(lǐng)域，要能夠制造航母、高鐵、飛機(jī)、核電站、火電站等需要的金屬零件。而他也將研究方向鎖定在電子束選區(qū)熔化（EBSM）金屬增材制造（3D打印）技術(shù)上。

電子束選區(qū)熔化（EBSM）技術(shù)是一種利用高能電子束，逐層選擇性地熔化沉積零件截面內(nèi)粉末的增材制造技術(shù)，具有制造復(fù)雜、精密金屬構(gòu)件的能力。由于電子束比激光的功率高，材料對(duì)電子束能量的吸收率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)激光的吸收率，因此相較于目前比較普遍的激光選區(qū)熔化（SLM）技術(shù)，EBSM技術(shù)具有能量利用率高、材料適應(yīng)面廣、粉末床溫度高、真空環(huán)境等技術(shù)特點(diǎn)，是一種高效、低應(yīng)力、低成本的增材制造技術(shù)，特別適合難加工高性能材料復(fù)雜零件的規(guī)?；a(chǎn)，被認(rèn)為是航空航天、核電能源、醫(yī)療器械等領(lǐng)域最具前景的金屬增材制造技術(shù)之一。

早在2002年，瑞典Arcam公司就推出了他們的EBSM技術(shù)。而林峰也從2004年開(kāi)始自行研發(fā)相應(yīng)技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了金屬EBSM裝備的自主研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，形成了面向科研、醫(yī)療器械和航空航天領(lǐng)域3個(gè)系列的EBSM設(shè)備。在此基礎(chǔ)上，他們又進(jìn)一步與航天科工集團(tuán)、中國(guó)航發(fā)集團(tuán)、中國(guó)商發(fā)、中國(guó)商飛北研中心等合作，相繼實(shí)現(xiàn)了難焊高溫合金Inconel738/M247、鈦合金TC4/TA15、鈦鋁合金TiAl4822、難熔金屬鎢等高性能難加工材料的EBSM成形。經(jīng)過(guò)多年的自主研發(fā)，他們憑實(shí)力打破了國(guó)外公司的壟斷，使我國(guó)成為繼瑞典Arcam公司（已屬美國(guó)GE公司增材板塊）之后，世界上第二個(gè)掌握EBSM技術(shù)和裝備的國(guó)家。

3D打印現(xiàn)在已經(jīng)成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)。然而在其不長(zhǎng)的歷史上，無(wú)論在中國(guó)，還是在國(guó)際上，3D打印都曾經(jīng)跌入過(guò)低谷。20世紀(jì)90年代后期，3D打印技術(shù)遇到了“瓶頸”：制作的“原型”強(qiáng)度較低、功能較差，難以大規(guī)模應(yīng)用。直到2000年之后，這一情況才由于金屬增材制造和生物制造的出現(xiàn)逐漸得到逆轉(zhuǎn)，世界各國(guó)紛紛將3D打印作為未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新增長(zhǎng)點(diǎn)加以培育。2012年，美國(guó)將“增材制造技術(shù)”確定為首個(gè)制造業(yè)創(chuàng)新中心，歐盟、日本、韓國(guó)、新加坡、俄羅斯、南非、印度等地區(qū)和國(guó)家也通過(guò)各種措施推進(jìn)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

在我國(guó)，王華明院士（現(xiàn)擔(dān)任清華大學(xué)“先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”學(xué)術(shù)委員會(huì)主任），帶領(lǐng)北航團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了用激光直接制造金屬大型復(fù)雜構(gòu)件的創(chuàng)新突破，使我國(guó)成為目前世界上唯一突破飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)并實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用的國(guó)家。而在清華大學(xué)，顏永年教授團(tuán)隊(duì)將快速成形引入生命科學(xué)領(lǐng)域，研發(fā)了多種生物材料快速成形技術(shù)和裝備，使清華大學(xué)成為國(guó)內(nèi)生物3D打印技術(shù)的引領(lǐng)者。

“增材制造要想進(jìn)一步發(fā)展，還有很多瓶頸問(wèn)題，我們希望能有所突破和創(chuàng)新，建立中國(guó)自己的技術(shù)體系。這是我們的使命和責(zé)任?！绷址蹇偨Y(jié)道，“值得自豪的是，我們?cè)?D打印上有自己的歷史和傳統(tǒng)，在這個(gè)領(lǐng)域，我們不是跟跑，而是引領(lǐng)?！?/p>

“引領(lǐng)”，同樣的標(biāo)簽也出現(xiàn)在清華大學(xué)機(jī)械工程系長(zhǎng)聘副教授熊卓的記憶里。作為“三清博士”，熊卓對(duì)清華大學(xué)在生物制造上的發(fā)展線十分熟悉。事實(shí)上，他從1999年就開(kāi)始從事組織工程支架的3D打印研究，也是國(guó)際上最早開(kāi)展細(xì)胞3D打印的研究者之一。

“我們走的是細(xì)胞－材料單元的堆積路線?！毙茏空f(shuō)。2004年11月，熊卓和導(dǎo)師顏永年等人申請(qǐng)了國(guó)內(nèi)這一領(lǐng)域的第一個(gè)專(zhuān)利：“一種細(xì)胞－材料單元的三維受控堆積成形方法”。在該方法中，他們根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和路徑，將各種細(xì)胞－材料溶液的混合物分別通過(guò)不同的噴頭擠壓或噴射出來(lái)，形成細(xì)胞－材料單元，堆積到空間指定位置；在相應(yīng)的觸發(fā)條件下，形成一定形態(tài)和強(qiáng)度的細(xì)胞－材料凝膠；再通過(guò)逐點(diǎn)逐層的堆積，得到具有一定機(jī)構(gòu)的組織器官雛形。

同年，熊卓還主持了國(guó)家自然科學(xué)基金委在細(xì)胞3D打印領(lǐng)域的第一個(gè)資助項(xiàng)目——“細(xì)胞與細(xì)胞/材料微滴的裝配成形及其生物學(xué)基礎(chǔ)研究”。2005年，他所在的團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文，對(duì)“生物制造工程”進(jìn)行了定義。憶及當(dāng)年，熊卓言語(yǔ)間繞不開(kāi)對(duì)“活細(xì)胞”的堅(jiān)持?！叭梭w細(xì)胞不是簡(jiǎn)單的聚集，它們存在復(fù)雜的細(xì)胞外基質(zhì)。我們所做的，就是把細(xì)胞和它們的基質(zhì)像一個(gè)整體單元一樣組裝起來(lái)，這樣細(xì)胞能‘活’起來(lái)，長(zhǎng)出高級(jí)的結(jié)構(gòu)。”

熊卓中間也離開(kāi)過(guò)一段時(shí)間。2020年全職返回清華后，他的狀態(tài)調(diào)整得極為自然。在機(jī)械工程系生物制造中心內(nèi)部，他和同事張婷共同組建了生物打印與再生工程（BRE）團(tuán)隊(duì)。他們?cè)趶?fù)雜組織器官三維打印構(gòu)建新技術(shù)和面向個(gè)性化治療的體外三維腫瘤模型研發(fā)上，展開(kāi)了一系列工作。

“重塑完美，栩栩如生”，熊卓辦公室里掛著這樣一幅字。早在2000年，清華大學(xué)派出了一支學(xué)生創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)參加在斯坦福大學(xué)舉行的全球創(chuàng)業(yè)計(jì)劃挑戰(zhàn)賽“Entrepreneurs Challenge 2000”，他們的參賽項(xiàng)目是機(jī)械系激光快速成形中心成果孵化的“博創(chuàng)生醫(yī)激光快速成形公司”。熊卓至今還記得，團(tuán)隊(duì)出發(fā)前為了擬定一個(gè)響亮的口號(hào)苦思冥想的場(chǎng)景，最終，還是一旁“打醬油”的自動(dòng)化系1994級(jí)朱鵬翔同學(xué)脫口而出這八個(gè)字。雖然那次比賽他們惜敗于斯坦福大學(xué)閃存技術(shù)創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)，可20年后，“閃存”風(fēng)光不再，“生醫(yī)激光快速成形”卻成為科技界、產(chǎn)業(yè)界紅紅火火的“生物3D打印”。想到那段經(jīng)歷，熊卓心中總是激蕩起一股澎湃的力量，這次重返清華，他也要繼續(xù)朝著“重塑完美、栩栩如生”的目標(biāo)堅(jiān)定前行。

“世紀(jì)之交，以顏永年老師為首，我們?cè)诩?xì)胞打印上的工作影響了中國(guó)近20年的研究。那現(xiàn)在我們這代人怎么才能影響未來(lái)20年呢？我們要站在學(xué)科前沿，這才是清華該干的事情。”談到現(xiàn)狀，熊卓鄭重地說(shuō)。

熊卓

“清華該干的事”，對(duì)生物制造團(tuán)隊(duì)的每一個(gè)人來(lái)說(shuō)，既然如今站在清華園，“創(chuàng)新?tīng)?zhēng)先”就是當(dāng)仁不讓的事。如今，生物制造團(tuán)隊(duì)逐步形成了一支年輕有活力的教師隊(duì)伍。

張婷副研究員，本科和博士均畢業(yè)于清華大學(xué)機(jī)械系，具有多學(xué)科交叉學(xué)習(xí)研究的背景，在法國(guó)里昂中央理工大學(xué)、美國(guó)哥倫比亞大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系Gordana Vunjak-Novakovic教授團(tuán)隊(duì)、美國(guó)哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院、布萊根婦女醫(yī)院Ali Khademhosseini教授團(tuán)隊(duì)有求學(xué)和訪問(wèn)經(jīng)歷。自2004年開(kāi)始，她就瞄準(zhǔn)醫(yī)療健康領(lǐng)域重大需求，持續(xù)開(kāi)展復(fù)雜結(jié)構(gòu)組織器官的生物3D打印、組織/器官芯片及體外生命系統(tǒng)工程交叉領(lǐng)域的研究。她現(xiàn)任中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)生物制造工程分會(huì)總干事，中國(guó)生物材料學(xué)會(huì)生物材料先進(jìn)制造分會(huì)委員；先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金、中韓國(guó)際交流基金，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題等，作為骨干參與國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目，原“863”計(jì)劃課題、“重大新藥創(chuàng)制”國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)等科研項(xiàng)目十余項(xiàng)。

張婷認(rèn)為：“生物3D打印領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵核心問(wèn)題是工程學(xué)‘自上而下’設(shè)計(jì)制造與生物學(xué)‘自下而上’發(fā)育生長(zhǎng)的協(xié)調(diào)機(jī)制問(wèn)題，而我所聚焦的復(fù)雜組織/器官的生物3D打印，更是需要實(shí)現(xiàn)從‘打印’到‘存活’，從‘形似’到‘神似’，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)組織的一體化制造、生物物理微環(huán)境的動(dòng)態(tài)構(gòu)建等方面，也亟須從‘技術(shù)’到‘裝備’，從‘原型’到‘應(yīng)用’的關(guān)鍵技術(shù)突破?！?/p>

其中，血管化是實(shí)現(xiàn)組織/器官功能化的前提，其核心挑戰(zhàn)是突破氧和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)擴(kuò)散的極限，實(shí)現(xiàn)微尺度血管網(wǎng)絡(luò)及跨尺度血管結(jié)構(gòu)的重建。張婷及團(tuán)隊(duì)針對(duì)心肌、神經(jīng)、肌肉等一類(lèi)異質(zhì)結(jié)構(gòu)且對(duì)缺氧極其敏感的組織的制造，提出異質(zhì)結(jié)構(gòu)血管化組織一體化仿生構(gòu)建新策略，初步實(shí)現(xiàn)了各向異性組織的血管化與功能成熟，相關(guān)文章作為雜志封底文章及網(wǎng)站報(bào)道，被評(píng)價(jià)為“首次成功在定向支架內(nèi)構(gòu)建嵌合多級(jí)通道網(wǎng)絡(luò)的仿生心肌組織”，是“構(gòu)建大尺度血管化心肌組織的最有潛力方法之一”。同時(shí)，聚焦3D組織/器官芯片及在藥物檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，開(kāi)展3D類(lèi)心肌組織、類(lèi)腦組織、類(lèi)肺芯片等對(duì)藥物響應(yīng)的研究并取得進(jìn)展。

張磊2001年開(kāi)始師從顏永年教授攻讀博士學(xué)位，2006年博士畢業(yè)后留校繼續(xù)在團(tuán)隊(duì)工作。在生物制造領(lǐng)域，他的主要工作方向圍繞人工血管及血管支架展開(kāi)。他設(shè)計(jì)了多層結(jié)構(gòu)仿生人工血管，試圖在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)血管再生；與安貞醫(yī)院合作，開(kāi)展個(gè)性化可降解血管支架的設(shè)計(jì)和成形方面研究；與華信醫(yī)院合作，開(kāi)展個(gè)性化覆膜支架的相關(guān)工作等。心血管系統(tǒng)疾病是影響人類(lèi)壽命和生存質(zhì)量主要疾病之一，張磊堅(jiān)信生物3D打印技術(shù)和醫(yī)工結(jié)合可以為心血管疾病的治療提供更有效的器械和治療手段。

姚睿副教授于2005年投入細(xì)胞3D打印和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，至今持續(xù)研究16年。得益于在清華大學(xué)、麻省理工學(xué)院Robert Langer實(shí)驗(yàn)室等一流實(shí)驗(yàn)室的研究經(jīng)歷，使她具備了扎實(shí)的學(xué)術(shù)功底和前沿視野。多學(xué)科的人才和堅(jiān)定一致的信念，使姚睿及所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)能夠瞄準(zhǔn)醫(yī)療健康領(lǐng)域的“卡脖子”問(wèn)題，探索獨(dú)特的工程化解決方法：提出靜電打印細(xì)胞微球技術(shù)，解決移植組織血管化困難的問(wèn)題，發(fā)表多篇亮點(diǎn)論文，授權(quán)多項(xiàng)專(zhuān)利；提出三維微圖案定向分化技術(shù)，首次在體外分化獲得成熟的人體微肝組織，發(fā)表封面論文，授權(quán)多項(xiàng)專(zhuān)利；提出3D打印多層級(jí)支架技術(shù)，細(xì)胞擴(kuò)增效率達(dá)到現(xiàn)有技術(shù)的100倍，發(fā)表封面論文，授權(quán)多項(xiàng)專(zhuān)利并進(jìn)入轉(zhuǎn)化應(yīng)用?！笆濉逼陂g，姚睿牽頭獲得重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目，在肝臟類(lèi)器官、器官芯片、肝膽雙系統(tǒng)體外模型和肝臟疾病模型等方面取得進(jìn)展，并作為“十四五”概算專(zhuān)家參與概算編制工作。

生物制造團(tuán)隊(duì)另一位歸國(guó)學(xué)子是龐媛，師從日本動(dòng)物實(shí)驗(yàn)替代法學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)、東京大學(xué)酒井康行（Sakai Yasuyuki）教授。構(gòu)建高仿生的組織器官替代物用于臨床研究，是龐媛從博士學(xué)習(xí)以來(lái)的科研夢(mèng)想和追求。感受到共同的科研目標(biāo)，龐媛于2016年年底正式加入清華生物制造團(tuán)隊(duì)，成為助理研究員。有著化學(xué)、藥學(xué)、生物工程交叉學(xué)科背景的她，在進(jìn)入機(jī)械系這樣一個(gè)全新的環(huán)境后，開(kāi)始更多地依托“工程的手段解決生物的問(wèn)題”。面向臨床惡性腫瘤治療的個(gè)性化模型研究，是她加入清華團(tuán)隊(duì)后主要開(kāi)展的工作?！澳壳拔覈?guó)腫瘤學(xué)研究創(chuàng)新力不足，‘卡脖子’關(guān)鍵技術(shù)亟待解決”，龐媛介紹說(shuō)，“我們針對(duì)腫瘤組織結(jié)構(gòu)學(xué)特征，開(kāi)發(fā)了一系列新型的打印設(shè)備和工藝，從單細(xì)胞水平實(shí)現(xiàn)腫瘤復(fù)雜微環(huán)境重構(gòu)，構(gòu)建針對(duì)個(gè)體患者的仿生模型用于藥物篩選?！蹦壳八殉晒ρ兄苽€(gè)體化的肝、膽、腎、胰腺等多種癌癥模型，與協(xié)和醫(yī)院、腫瘤醫(yī)院、北京清華長(zhǎng)庚醫(yī)院開(kāi)展廣泛合作，推動(dòng)3D打印癌癥模型的臨床轉(zhuǎn)化。

歐陽(yáng)禮亮也是清華自己培養(yǎng)起來(lái)的年輕老師。從清華大學(xué)博士畢業(yè)后，他前往英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院從事了3年半的博士后研究，目前擔(dān)任助理教授、博士生導(dǎo)師。他的研究聚焦在活細(xì)胞3D打印的形性協(xié)同這個(gè)方向，圍繞生物墨水材料、生物打印工藝、組織工程應(yīng)用等方面開(kāi)展了系列工作。以獨(dú)作身份出版1本生物3D打印英文專(zhuān)著（Springer出版社），在Science Advances、Advanced Materials等期刊發(fā)表系列研究論文，獲得GE基金會(huì)科技創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng)、清華大學(xué)優(yōu)秀博士論文和優(yōu)秀博士畢業(yè)生等榮譽(yù)。

自2018年北京和上海分別成立腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)研究中心以來(lái)，中國(guó)版“人腦計(jì)劃”便如火如荼地展開(kāi)了。于2020年12月入職的助理研究員宋宇博士緊跟研究前沿將生物制造技術(shù)與神經(jīng)科學(xué)相結(jié)合，率先構(gòu)建了體外長(zhǎng)期具有生物功能性的類(lèi)腦組織結(jié)構(gòu)體，相關(guān)研究工作得到Physics World的專(zhuān)題報(bào)道。宋宇博士在北京科技大學(xué)張躍院士與美國(guó)里海大學(xué)Berdichevsky教授指導(dǎo)下的工作經(jīng)歷，夯實(shí)了其在材料與神經(jīng)科學(xué)方面的研究基礎(chǔ)，并為其致力于類(lèi)腦技術(shù)的發(fā)展提供了有力保證。

而熊卓本人近期尤其關(guān)注空間生物3D打印?！吧?D打印是以計(jì)算機(jī)三維模型為‘圖紙’，裝配特制‘生物墨水’，最終制造出人造器官和生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品的新科技手段。而空間技術(shù)和微重力將給地球上的人類(lèi)健康帶來(lái)深遠(yuǎn)的益處。”據(jù)他介紹，空間微重力環(huán)境有利于柔性的生物材料打印成形，使細(xì)胞的聚集方式更接近人體組織，將會(huì)影響干細(xì)胞的增殖、分化等性能。

2021年6月17日，“神舟十二號(hào)”發(fā)射成功，3位宇航員將在中國(guó)空間站停駐90天。對(duì)于熊卓來(lái)說(shuō)，這個(gè)好消息，意味著他對(duì)空間生物3D打印的判斷沒(méi)有錯(cuò)。如果該技術(shù)發(fā)展成熟后，想要制造在空間或返回地球使用的人體器官和組織，將不再是夢(mèng)?！霸趪?guó)際上，這項(xiàng)工作正是起步階段，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始相關(guān)研究?！毙茏坑X(jué)得，這個(gè)機(jī)會(huì)必須把握住。國(guó)際空間站退役在即，未來(lái)數(shù)年，“天宮”可能會(huì)是國(guó)際上唯一的在軌空間站。他和團(tuán)隊(duì)覺(jué)得這值得拼一把，說(shuō)不定就能真正超越呢。

現(xiàn)在，熊卓所在的BRE團(tuán)隊(duì)正致力于開(kāi)發(fā)基于微小衛(wèi)星的空間生物3D打印工藝與設(shè)備，同時(shí)也在協(xié)調(diào)衛(wèi)星資源開(kāi)展在軌實(shí)驗(yàn)，努力爭(zhēng)取空間生命科學(xué)研究領(lǐng)域 里程碑意義的成果。隨著2022年中國(guó)空間站建成并正常運(yùn)營(yíng)，通過(guò)微小衛(wèi)星驗(yàn)證的空間生物3D工藝與設(shè)備將有望利用空間站更豐富的資源條件，取得突破性成果?！叭艘惠呑右簿蛶资辏偟米鳇c(diǎn)有價(jià)值的工作?！毙茏空f(shuō)。

腳下有力量——自信的清華不會(huì)畏懼問(wèn)題

“2003年，研究所才成立。這些年來(lái)變化還是挺大的，但無(wú)論如何變化，研究方向一直都是圍繞國(guó)家重大需求。”副所長(zhǎng)韓贊東說(shuō)。

韓贊東

在研究所成立之前，潘際鑾院士主持研究的“新型MIG焊接電弧控制法”，就已經(jīng)獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)；而從20世紀(jì)70年代初就從事金屬材料鍛壓成形工藝和設(shè)備研究的顏永年教授課題組以CIMS應(yīng)用工程和預(yù)應(yīng)力纏繞式液壓機(jī)技術(shù)也分別獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二、三等獎(jiǎng)。

成立以來(lái)，研究所逐漸成為“先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”和“生物制造與快速成形北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”的依托單位。面向科學(xué)技術(shù)發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求開(kāi)展基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用，研究所涉及重型加工裝備、激光加工、增材制造、生物制造、航天裝備制造、能源裝備制造、機(jī)器人技術(shù)、先進(jìn)焊接與連接、大型鑄鍛件成形制造、無(wú)損檢測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域。

“我們研究所主要是搭建平臺(tái)給老師們提供服務(wù)。我們一直都很重視理論創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用并抓，比如產(chǎn)業(yè)應(yīng)用上，所里一直在積極面對(duì)工程和市場(chǎng)，一旦發(fā)現(xiàn)哪個(gè)企業(yè)/工程的需求和某位老師的研究方向匹配，就會(huì)促成合作。但從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，我們和企業(yè)還是不同的，在研究所里，每一位老師都是相對(duì)獨(dú)立的，他們會(huì)在這個(gè)平臺(tái)上開(kāi)展個(gè)性化研究?！?/p>

自從1997年博士畢業(yè)，韓贊東就在從事焊接工藝與過(guò)程控制、機(jī)電系統(tǒng)控制以及信號(hào)處理等方面的研究工作，直到2004年起，才因?yàn)閷W(xué)科發(fā)展需要將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到材料測(cè)試與無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。過(guò)去十余年，韓贊東在無(wú)損檢測(cè)上的工作重點(diǎn)是圍繞高溫氣冷堆過(guò)球計(jì)數(shù)器展開(kāi)的?！暗谒拇朔磻?yīng)堆在換料時(shí)不需要停堆，但燃料裝卸過(guò)程中需要監(jiān)測(cè)，我們的過(guò)球計(jì)數(shù)器能夠?qū)Υ俗龀霰O(jiān)測(cè)，以保證反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。”韓贊東說(shuō)，“核電站對(duì)檢測(cè)設(shè)備的可靠性、抗干擾、輻射環(huán)境適應(yīng)性要求很高，所以這些年來(lái)我們一直在對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行不斷優(yōu)化。”

與這項(xiàng)能“做一輩子”的工作不同，近年來(lái)，韓贊東又承擔(dān)了北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目“城市燃?xì)夤芫W(wǎng)內(nèi)檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究”。“未來(lái)預(yù)計(jì)會(huì)做與工業(yè)相關(guān)的銅管/鋼管檢測(cè)，”他表示，“過(guò)去高品質(zhì)的銅管在線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)多是德國(guó)設(shè)備，但咱們國(guó)家的銅管產(chǎn)量在世界的占比超過(guò)50%，不能在檢測(cè)上受制于人?！?/p>

研究所成員馬慶賢教授，在國(guó)家科技項(xiàng)目支持下，主持制定了大型鑄鍛件和厚鋼板技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為三峽工程水輪機(jī)組鏡板、百萬(wàn)千瓦級(jí)核電主管道等鍛件的成功制造提供了技術(shù)支撐。相關(guān)成果服務(wù)于國(guó)內(nèi)外100多座水電站，700多臺(tái)機(jī)組及其他裝備涉及的裝機(jī)鑄鍛結(jié)構(gòu)件30多萬(wàn)噸，直接銷(xiāo)售額400多億元，為我國(guó)由水電大國(guó)躋身水電強(qiáng)國(guó)作出了貢獻(xiàn)。

馬慶賢

鄭軍副研究員2005年進(jìn)入清華機(jī)械工程系。近年來(lái)，他主要致力于高端智能焊接技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化推廣，先后獲得2018年度江蘇省揚(yáng)州市“綠楊金鳳”領(lǐng)軍人才和2019年度江蘇省“雙創(chuàng)計(jì)劃”人才項(xiàng)目資助。所研發(fā)的技術(shù)和設(shè)備獲得了核級(jí)設(shè)備的焊接認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)了高端焊接的智能化，在十余項(xiàng)核電項(xiàng)目得到了批量推廣應(yīng)用，取得了質(zhì)量和效率的雙重認(rèn)可。

長(zhǎng)聘副教授常保華是歐盟瑪麗·居里學(xué)者，近年來(lái)面向航空航天先進(jìn)結(jié)構(gòu)的焊接及增材制造，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、歐盟瑪麗·居里基金等項(xiàng)目支持下，在輕金屬?gòu)?fù)雜結(jié)構(gòu)激光焊接、單晶及定向凝固高溫合金結(jié)構(gòu)修復(fù)、形狀記憶合金增材制造等方面開(kāi)展了系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)工作，部分成果在先進(jìn)航空航天結(jié)構(gòu)的制造中得到應(yīng)用，為解決企業(yè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題提供了技術(shù)方案。

已經(jīng)是清華大學(xué)機(jī)械工程系助理教授、特別研究員、博士生導(dǎo)師的趙滄，主要研究方向?yàn)樵霾闹圃斓年P(guān)鍵機(jī)理探索和安全防護(hù)的先進(jìn)裝備研究。他的工作涉及材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理、光學(xué)、力學(xué)、機(jī)械等多學(xué)科交叉。近年來(lái)，他完成了美國(guó)先進(jìn)光子源金屬增材制造同步輻射在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和研制，并深入研究了匙孔演化、液滴飛濺、匙孔氣泡等基礎(chǔ)問(wèn)題?；诖耍麌?yán)格定義了激光加熱的3種模式，指出了增材制造中匙孔的廣泛存在性；發(fā)現(xiàn)了一種新的液滴快速飛濺機(jī)理；確立了匙孔氣泡缺陷區(qū)域的邊界，發(fā)現(xiàn)了一種新的氣泡缺陷起源機(jī)理。代表性論文發(fā)表在Science（兩篇）、Physical Review X等期刊上，而他本人也獲得中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)、美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室博士后杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)等。

清華大學(xué)長(zhǎng)聘教授都東曾先后擔(dān)任材料加工自動(dòng)化研究所和成形裝備及自動(dòng)化研究所所長(zhǎng)十余年，在能源裝備和航天航空制造領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展和工程應(yīng)用，并長(zhǎng)期支持蔡志鵬、韓贊東、吳任東、鄭軍、常保華等各團(tuán)隊(duì)在重大裝備成形制造領(lǐng)域的發(fā)展。同時(shí)，都東教授作為清華機(jī)械系成形制造學(xué)科召集人和先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人，盡心竭力培養(yǎng)和引進(jìn)學(xué)術(shù)人才，為機(jī)械系激光加工、微納成形、生物制造等方向的發(fā)展作出了突出貢獻(xiàn)，其中包括支持助理教授趙滄博士作為第一作者在世界著名學(xué)術(shù)期刊Science發(fā)表激光增材制造基礎(chǔ)研究成果。目前，都東擔(dān)任清華大學(xué)學(xué)位評(píng)定委員會(huì)委員和機(jī)械工程分委主席，曾指導(dǎo)博士學(xué)位論文針對(duì)智能制造技術(shù)開(kāi)展研究，榮獲IIW Henry Granjon獎(jiǎng)。

都東

“沒(méi)有碰到過(guò)解決不了的問(wèn)題”，采訪過(guò)程中，他們對(duì)于自己在研究過(guò)程中遇到的難題總是輕描淡寫(xiě)，似乎沒(méi)有什么值得他們?nèi)ケ罎?。只要他們想，辦法永遠(yuǎn)比困難多。

這樣的心態(tài)下，清華大學(xué)成形裝備及自動(dòng)化研究所呈現(xiàn)出“眾人拾柴火焰高”的面貌。正是有了每一位成員的努力，近年來(lái)，研究所照樣成績(jī)不菲。他們不乏國(guó)家獎(jiǎng)，因彩圖科技百科全書(shū)、聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用成果先后獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)；主持設(shè)計(jì)的360MN黑色金屬垂直擠壓機(jī)組成功投產(chǎn)，打破國(guó)外技術(shù)封鎖，實(shí)現(xiàn)了大口徑厚壁無(wú)縫鋼管的國(guó)產(chǎn)化，獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)；將生物打印技術(shù)應(yīng)用于婦產(chǎn)科臨床以及關(guān)鍵救治取得突出成績(jī)，分獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)與軍隊(duì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。他們創(chuàng)造了里程碑式的成果，主持設(shè)計(jì)我國(guó)首臺(tái)400MN重型航空模鍛液壓機(jī)，實(shí)現(xiàn)了大型航空精密模鍛件自主研制和生產(chǎn)；自行研發(fā)的電子束選區(qū)熔化（EBSM）增材制造裝備，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，使我國(guó)成為第二個(gè)能夠生產(chǎn)該類(lèi)裝備的國(guó)家……

2021年4月16日，清華大學(xué)校長(zhǎng)邱勇在110周年校慶“大學(xué)”系列論壇結(jié)束時(shí)做了一個(gè)致辭。他說(shuō)：“自信的清華不會(huì)畏懼問(wèn)題，我們將從問(wèn)題出發(fā)，奮力邁向新的發(fā)展高度?！?/p>

對(duì)于未來(lái)，清華大學(xué)成形裝備及自動(dòng)化研究所的態(tài)度也一樣。長(zhǎng)路漫漫，他們?cè)?jīng)從挑戰(zhàn)中走過(guò)；未來(lái)可期，他們更不懼任何艱難。哪怕櫛風(fēng)沐雨，他們也只有一個(gè)回答：心中如果有信仰，腳下自然有力量！