科学仪器 硬核利器（科技瞭望）

工欲善其事，必先利其器。从深空探测的星际遥望到微观世界的原子探秘，从生物医药的精准检测到新材料的研发突破，每一项科技成果的背后，都离不开科学仪器的坚实支撑。中国科研人正以“实干见物”的精神，书写着属于这个时代的“新天工开物”。
近日，一场属于中国科学仪器的“成果秀”在国家科技传播中心拉开帷幕，3项经中国仪器仪表学会推荐的创新成果集中亮相。
“我国的科学仪器，从零基础到跟踪模仿，到现在部分高端仪器达到与国际并跑的水平，经历了艰难历程。”中国科学院院士、发展中国家科学院院士高鸿钧说，“近年来我国科学仪器与国际顶尖水平差距越来越小，追赶的速度非常令人鼓舞。”
1
太空生命科学仪器
打造空间生命研究的“中国平台”
在我国空间站问天实验舱的静谧空间内，水稻抽穗、鱼儿游弋、细胞增殖……在地球上司空见惯的这些生命图景，之所以能在太空实现，离不开太空生命科学实验系统的支撑。
作为人类探索生命与宇宙奥秘的前沿领域，空间生命科学聚焦3大方向：探究生命起源、验证地球生物太空生存可行性、搜寻地外生命。生命科学实验对无菌、温控、气体环境等有着近乎苛刻的要求，然而，太空并非友善的实验室。微重力、强辐射、高真空、极端温差等极端环境，加之航天器内极为有限的空间和资源，都是难以跨越的“拦路虎”。
难题如何破解？中国科学院上海技术物理研究所打造的“太空生命科学仪器”，以“密闭生命支持+AI驱动原位观测+自动化精准操控”为核心技术链，构建起高功能密度集成一体化实验平台。该系统于2022年7月24日随问天实验舱发射入轨，迄今已支持完成40余项空间生命科学任务，推动我国空间生命科学研究从“简单单项实验”迈入“复杂系统研究”阶段。
“太空生命科学仪器”首先攻克的是“生命支持”难关。植物需要光照与营养液，细胞渴望恒温与无菌，昆虫依赖稳定的气体比例。“我们要熟悉每种生物的习性，确保它们接触的材料无毒无害、生存环境洁净达标。”发布会上，中国科学院上海技术物理研究所二级研究员张涛介绍，团队通过跨学科协作，与生物学家反复沟通，为每种生物量身定制了生存方案。
原位观测是第二道门槛。在地面，科学家可以随时取出样本进行观察；但在太空，所有观测必须在密闭容器中自动完成。为此，项目团队开发了多模态显微成像系统，集成明场、荧光与激光共聚焦等功能模态，并赋予其“自主搜索”能力。借助智能算法，显微镜能在微米精度下自动搜索并定位悬浮液体中的细胞，回传图像供地面科学家远程确认观测目标。
精细操控是第三重挑战。微重力环境下，气体、液体的行为与在地面差异极大。以细胞培养换液为例，在地面上通过离心与倾倒即可完成，在太空则需要完全依赖机械自动化。团队通过流体仿真与结构创新，设计出“缓慢推注扩散”式液体交换系统，以新液缓慢推动旧液，既完成更换，又避免损伤样本。“每一个动作都靠程序精准控制，最大限度减少误差。”张涛说。
针对航天器空间有限、资源宝贵的问题，研发团队采用“共享平台+定制单元”设计：将显微镜、温控、气体控制等公用设备集中整合，实验专属需求则融入标准化个性化单元。这种模式既避免资源浪费，又适配多种实验，大幅提升了资源利用率。
如今，问天实验舱科研人员已在国际上率先实现水稻“从种子到种子”全生命周期空间培养，为未来太空粮食作物种植提供了重要依据；创建43天密闭“鱼—藻”水生生态系统，打破德国16天的世界纪录，为构建长期太空生态循环奠定了基础；构建国际首个“微重力—亚磁”复合环境实验平台，成功实现果蝇在轨传代繁殖实验。
从早期的“黑盒子”式单一实验装置到“太空实验室”，从单一实验到系统平台，中国空间生命科学仪器走过了一条从无到有、从弱到强的攀登之路。张涛说：“仰望星空，我们的征途是星辰大海，但每一步都必须脚踏实地。”
2
无液氦亚3K低温扫描探针显微镜系统
创新高端科研仪器的“中国方案”
在纳米科学研究中，扫描探针显微镜系统是不可或缺的高端仪器。在原子、分子尺度上，它就像科研人员的眼睛和手，既能“看清”物质奥秘并完成探测，更能实现单原子的操控，因而广泛应用于物理、材料、化学、量子科技等领域。
过去，我国高端的扫描探针显微镜系统长期依赖进口。而且传统的低温扫描探针显微镜系统常常需要借助液氮、液氦等制冷剂，创造满足系统高性能运行所需的4K（4开尔文约等于零下269.15摄氏度）及以下极低温环境。这就不得不进口昂贵的液氦并频繁加注，不仅拉高成本、降低实验效率，有时甚至会导致实验失败。
针对这一问题，中国科学院物理研究所郇庆团队历经10余年攻关，采用原创的远端液化制冷技术，研发出无液氦亚3K低温扫描探针显微镜，实现关键性能指标国际领先。
“氦是不可再生资源，无液氦制冷技术已成为未来发展的重要方向。”中国科学院物理研究所纳米物理与器件实验室副主任郇庆说，然而，由于扫描探针显微镜系统对震动水平要求极为严苛，使得闭循环无液氦制冷技术在该领域的应用仍面临诸多挑战。
对此，研发团队另辟蹊径地提出了“分离式”远端制冷方案。将制冷机安装在远端，使用少量氦气密封循环当作制冷剂，通过压缩机将氦气冷却、液化，然后对仪器进行降温，让它像冰箱和空调里的氟利昂一样反复使用，既能长时间稳定维持3K（约零下270.15摄氏度）以下低温环境，又不消耗液氦，为科学家开展长时间前沿探索提供了有利条件，更大幅降低了运行成本。
团队的努力已经收获回报，无液氦亚3K低温扫描探针显微镜系统已在国内多所高校得到推广应用，产出多项前沿成果，成为我国纳米科学等前沿领域里一项自主可控的尖端研究工具。
目前，团队正在攻关更低温度、更多拓展功能的扫描探针显微镜设备。谈及对青年科研者的建议，郇庆说：“做科学研究要坐得住冷板凳，不要太急功近利。很多事情长期积累才能产出好成果。”
3
芯片陶瓷封装基板视觉检测技术
微纳米级缺陷检测炼就“火眼金睛”
芯片作为现代电子设备的核心，驱动着从智能手机到超级计算机的数字设备。鲜为人知的是，所有芯片都离不开一个关键部件——封装基板，它不仅能够承载、保护芯片，为芯片散热、供能，还是连接芯片与其他电子器件的电气通道。“如果说芯片是高楼大厦，那么封装基板就是大厦的供电、供水、供暖系统和地基。”东北大学信息化建设与网络安全办公室主任、软件学院教授于瑞云形象地比喻道。
陶瓷材质的封装基板，是大功率、高温及高频器件封装的首选，其制造工艺复杂，且对缺陷检测精度要求极高——需要快速、精准识别微米级甚至百纳米级缺陷。长期以来，国内陶瓷封装基板主要依赖人工检测，不仅主观依赖性强、检测标准不统一，效率也相对低下，难以满足高精度、规模化生产的需求。
受限于缺陷样本数量少、缺陷种类复杂等难点，高精度、标准化的视觉检测难以实现，并对现有算法的精度、泛化性和通用性提出了巨大挑战。此前，封装基板高端检测装备技术长期被国外垄断，国内产业链在这一关键环节受制于人，成为中国集成电路产业升级的“瓶颈”。
东北大学于瑞云教授团队针对上述难点及挑战，自主研发了“芯片陶瓷封装基板视觉检测技术”，结合人工智能、计算机视觉、工业软件、智能制造等前沿科技，实现了对微纳米级缺陷的智能识别与精准分类。
针对“巧妇难为无米之炊”的数据困境，于瑞云教授率领团队走进芯片陶瓷封装基板头部企业，深入产业一线，开展大规模数据采集工作。经过近两年的努力，团队累计采集超14万个数据样本，并在数据集基础上开发了两个AI大模型——“青阙”工业产品表面缺陷检测大模型与“玉瑕”缺陷样本生成大模型，在智能缺陷检测和缺陷样本生成方面取得重要突破。
此外，团队还自主设计研制了芯片陶瓷封装全系列关键工艺缺陷检测设备与生产管控系统。目前，相关成果已在多家企业落地应用，显著提升了良品率与产线智能化水平。
“青阙”见微芒，“玉瑕”生万象，微米之间显真章。这两个拥有诗意名字的国产大模型，不仅为芯片陶瓷封装基板视觉检测铸就了“火眼金睛”，还打通了“数据—算法—软件—设备—系统”一体化的研究体系，成为新质生产力推动我国集成电路产业发展的生动案例，为未来中国智造自主仪器设备研发开拓了新的可行路径。（本报记者 陈静文）
《人民日报海外版》（2025年12月01日 第 09 版）