工欲善其事，必先利其器。從深空探測的星際遙望到微觀世界的原子探秘，從生物醫藥的精准檢測到新材料的研發突破，每一項科技成果的背后，都離不開科學儀器的堅實支撐。中國科研人正以“實干見物”的精神，書寫著屬於這個時代的“新天工開物”。

　　近日，一場屬於中國科學儀器的“成果秀”在國家科技傳播中心拉開帷幕，3項經中國儀器儀表學會推薦的創新成果集中亮相。

　　“我國的科學儀器，從零基礎到跟蹤模仿，到現在部分高端儀器達到與國際並跑的水平，經歷了艱難歷程。”中國科學院院士、發展中國家科學院院士高鴻鈞說，“近年來我國科學儀器與國際頂尖水平差距越來越小，追趕的速度非常令人鼓舞。”

　　

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　　太空生命科學儀器

　　打造空間生命研究的“中國平台”

　　在我國空間站問天實驗艙的靜謐空間內，水稻抽穗、魚兒游弋、細胞增殖……在地球上司空見慣的這些生命圖景，之所以能在太空實現，離不開太空生命科學實驗系統的支撐。

　　作為人類探索生命與宇宙奧秘的前沿領域，空間生命科學聚焦3大方向：探究生命起源、驗証地球生物太空生存可行性、搜尋地外生命。生命科學實驗對無菌、溫控、氣體環境等有著近乎苛刻的要求，然而，太空並非友善的實驗室。微重力、強輻射、高真空、極端溫差等極端環境，加之航天器內極為有限的空間和資源，都是難以跨越的“攔路虎”。

　　難題如何破解？中國科學院上海技術物理研究所打造的“太空生命科學儀器”，以“密閉生命支持+AI驅動原位觀測+自動化精准操控”為核心技術鏈，構建起高功能密度集成一體化實驗平台。該系統於2022年7月24日隨問天實驗艙發射入軌，迄今已支持完成40余項空間生命科學任務，推動我國空間生命科學研究從“簡單單項實驗”邁入“復雜系統研究”階段。

　　“太空生命科學儀器”首先攻克的是“生命支持”難關。植物需要光照與營養液，細胞渴望恆溫與無菌，昆虫依賴穩定的氣體比例。“我們要熟悉每種生物的習性，確保它們接觸的材料無毒無害、生存環境潔淨達標。”發布會上，中國科學院上海技術物理研究所二級研究員張濤介紹，團隊通過跨學科協作，與生物學家反復溝通，為每種生物量身定制了生存方案。

　　原位觀測是第二道門檻。在地面，科學家可以隨時取出樣本進行觀察﹔但在太空，所有觀測必須在密閉容器中自動完成。為此，項目團隊開發了多模態顯微成像系統，集成明場、熒光與激光共聚焦等功能模態，並賦予其“自主搜索”能力。借助智能算法，顯微鏡能在微米精度下自動搜索並定位懸浮液體中的細胞，回傳圖像供地面科學家遠程確認觀測目標。

　　精細操控是第三重挑戰。微重力環境下，氣體、液體的行為與在地面差異極大。以細胞培養換液為例，在地面上通過離心與傾倒即可完成，在太空則需要完全依賴機械自動化。團隊通過流體仿真與結構創新，設計出“緩慢推注擴散”式液體交換系統，以新液緩慢推動舊液，既完成更換，又避免損傷樣本。“每一個動作都靠程序精准控制，最大限度減少誤差。”張濤說。

　　針對航天器空間有限、資源寶貴的問題，研發團隊採用“共享平台+定制單元”設計：將顯微鏡、溫控、氣體控制等公用設備集中整合，實驗專屬需求則融入標准化個性化單元。這種模式既避免資源浪費，又適配多種實驗，大幅提升了資源利用率。

　　如今，問天實驗艙科研人員已在國際上率先實現水稻“從種子到種子”全生命周期空間培養，為未來太空糧食作物種植提供了重要依據﹔創建43天密閉“魚—藻”水生生態系統，打破德國16天的世界紀錄，為構建長期太空生態循環奠定了基礎﹔構建國際首個“微重力—亞磁”復合環境實驗平台，成功實現果蠅在軌傳代繁殖實驗。

　　從早期的“黑盒子”式單一實驗裝置到“太空實驗室”，從單一實驗到系統平台，中國空間生命科學儀器走過了一條從無到有、從弱到強的攀登之路。張濤說：“仰望星空，我們的征途是星辰大海，但每一步都必須腳踏實地。”

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　　無液氦亞3K低溫掃描探針顯微鏡系統

　　創新高端科研儀器的“中國方案”

　　在納米科學研究中，掃描探針顯微鏡系統是不可或缺的高端儀器。在原子、分子尺度上，它就像科研人員的眼睛和手，既能“看清”物質奧秘並完成探測，更能實現單原子的操控，因而廣泛應用於物理、材料、化學、量子科技等領域。

　　過去，我國高端的掃描探針顯微鏡系統長期依賴進口。而且傳統的低溫掃描探針顯微鏡系統常常需要借助液氮、液氦等制冷劑，創造滿足系統高性能運行所需的4K（4開爾文約等於零下269.15攝氏度）及以下極低溫環境。這就不得不進口昂貴的液氦並頻繁加注，不僅拉高成本、降低實驗效率，有時甚至會導致實驗失敗。

　　針對這一問題，中國科學院物理研究所郇慶團隊歷經10余年攻關，採用原創的遠端液化制冷技術，研發出無液氦亞3K低溫掃描探針顯微鏡，實現關鍵性能指標國際領先。

　　“氦是不可再生資源，無液氦制冷技術已成為未來發展的重要方向。”中國科學院物理研究所納米物理與器件實驗室副主任郇慶說，然而，由於掃描探針顯微鏡系統對震動水平要求極為嚴苛，使得閉循環無液氦制冷技術在該領域的應用仍面臨諸多挑戰。

　　對此，研發團隊另辟蹊徑地提出了“分離式”遠端制冷方案。將制冷機安裝在遠端，使用少量氦氣密封循環當作制冷劑，通過壓縮機將氦氣冷卻、液化，然后對儀器進行降溫，讓它像冰箱和空調裡的氟利昂一樣反復使用，既能長時間穩定維持3K（約零下270.15攝氏度）以下低溫環境，又不消耗液氦，為科學家開展長時間前沿探索提供了有利條件，更大幅降低了運行成本。

　　團隊的努力已經收獲回報，無液氦亞3K低溫掃描探針顯微鏡系統已在國內多所高校得到推廣應用，產出多項前沿成果，成為我國納米科學等前沿領域裡一項自主可控的尖端研究工具。

　　目前，團隊正在攻關更低溫度、更多拓展功能的掃描探針顯微鏡設備。談及對青年科研者的建議，郇慶說：“做科學研究要坐得住冷板凳，不要太急功近利。很多事情長期積累才能產出好成果。”

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　　芯片陶瓷封裝基板視覺檢測技術

　　微納米級缺陷檢測煉就“火眼金睛”

　　芯片作為現代電子設備的核心，驅動著從智能手機到超級計算機的數字設備。鮮為人知的是，所有芯片都離不開一個關鍵部件——封裝基板，它不僅能夠承載、保護芯片，為芯片散熱、供能，還是連接芯片與其他電子器件的電氣通道。“如果說芯片是高樓大廈，那麼封裝基板就是大廈的供電、供水、供暖系統和地基。”東北大學信息化建設與網絡安全辦公室主任、軟件學院教授於瑞雲形象地比喻道。

　　陶瓷材質的封裝基板，是大功率、高溫及高頻器件封裝的首選，其制造工藝復雜，且對缺陷檢測精度要求極高——需要快速、精准識別微米級甚至百納米級缺陷。長期以來，國內陶瓷封裝基板主要依賴人工檢測，不僅主觀依賴性強、檢測標准不統一，效率也相對低下，難以滿足高精度、規模化生產的需求。

　　受限於缺陷樣本數量少、缺陷種類復雜等難點，高精度、標准化的視覺檢測難以實現，並對現有算法的精度、泛化性和通用性提出了巨大挑戰。此前，封裝基板高端檢測裝備技術長期被國外壟斷，國內產業鏈在這一關鍵環節受制於人，成為中國集成電路產業升級的“瓶頸”。

　　東北大學於瑞雲教授團隊針對上述難點及挑戰，自主研發了“芯片陶瓷封裝基板視覺檢測技術”，結合人工智能、計算機視覺、工業軟件、智能制造等前沿科技，實現了對微納米級缺陷的智能識別與精准分類。

　　針對“巧婦難為無米之炊”的數據困境，於瑞雲教授率領團隊走進芯片陶瓷封裝基板頭部企業，深入產業一線，開展大規模數據採集工作。經過近兩年的努力，團隊累計採集超14萬個數據樣本，並在數據集基礎上開發了兩個AI大模型——“青闕”工業產品表面缺陷檢測大模型與“玉瑕”缺陷樣本生成大模型，在智能缺陷檢測和缺陷樣本生成方面取得重要突破。

　　此外，團隊還自主設計研制了芯片陶瓷封裝全系列關鍵工藝缺陷檢測設備與生產管控系統。目前，相關成果已在多家企業落地應用，顯著提升了良品率與產線智能化水平。

　　“青闕”見微芒，“玉瑕”生萬象，微米之間顯真章。這兩個擁有詩意名字的國產大模型，不僅為芯片陶瓷封裝基板視覺檢測鑄就了“火眼金睛”，還打通了“數據—算法—軟件—設備—系統”一體化的研究體系，成為新質生產力推動我國集成電路產業發展的生動案例，為未來中國智造自主儀器設備研發開拓了新的可行路徑。

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