證券時(shí)報(bào)
2025-10-27 16:31
天津大學(xué)合成生物技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室里，元英進(jìn)（中）正在與學(xué)生們討論。
項(xiàng)目式課程中，學(xué)生們進(jìn)行“意念控制小球”實(shí)驗(yàn)。
大型地震工程模擬研究設(shè)施開展水下振動(dòng)臺(tái)懸索橋試驗(yàn)。
以上圖片均為天津大學(xué)提供
在天津大學(xué)建校130周年之際，習(xí)近平總書記給天津大學(xué)全體師生回信強(qiáng)調(diào)：“新起點(diǎn)上，希望你們堅(jiān)持以新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想為指導(dǎo)，聚焦國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，深化教學(xué)科研改革，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和科技攻關(guān)，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，更好服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，為建設(shè)教育強(qiáng)國(guó)科技強(qiáng)國(guó)、推進(jìn)中國(guó)式現(xiàn)代化作出新的貢獻(xiàn)。”
近年來，天津大學(xué)錨定教育強(qiáng)國(guó)、科技強(qiáng)國(guó)建設(shè)目標(biāo)，堅(jiān)定走好人才自主培養(yǎng)和科技自立自強(qiáng)之路，在科研攻關(guān)、學(xué)科建設(shè)、人才培養(yǎng)方面不斷取得新突破。
場(chǎng)景一：
“問題還是從國(guó)家需求、行業(yè)發(fā)展中來”
來到位于天津大學(xué)的國(guó)家大型地震工程模擬研究設(shè)施（以下簡(jiǎn)稱“地震大裝置”），最直觀的感受是什么都很“大”：31米的室內(nèi)凈高，兩臺(tái)吊重500噸的雙梁橋式起重機(jī)橫跨42米，大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)的“基座”深埋于18米深地下，臺(tái)面載重能力抵得上20多輛卡車。長(zhǎng)95米、寬69米的水池內(nèi)，世界上唯一雙臺(tái)地震、波浪、水流聯(lián)合模擬試驗(yàn)裝置可以在3米深的水下工作……
項(xiàng)目成員、天津大學(xué)國(guó)家地震工程科學(xué)中心副研究員劉銘劼正在為年底前進(jìn)行的試驗(yàn)做準(zhǔn)備。“像這樣的試驗(yàn)，準(zhǔn)備周期是以‘星期’為單位計(jì)算的。”劉銘劼解釋，之所以周期長(zhǎng)，是因?yàn)榈卣鸫笱b置承載的任務(wù)很“重”。比如，模擬振動(dòng)臺(tái)就可以讓一棟7層樓高的建筑經(jīng)歷一場(chǎng)“地震”。
為什么要“造地震”？劉銘劼介紹，地震工程的研究方法主要包括理論分析、試驗(yàn)研究、數(shù)值仿真等，但地震真正發(fā)生時(shí)，往往會(huì)有意想不到的情況。因此，振動(dòng)模擬即“人造地震”，是目前研究工程結(jié)構(gòu)抗震性能最直接有效的試驗(yàn)方法。
然而，此前國(guó)內(nèi)外已有的地震模擬設(shè)施，由于規(guī)模較小或功能單一，難以滿足公共安全與工程建設(shè)重大需求。
天津大學(xué)建設(shè)如此大規(guī)模的裝置，在全世界都沒有先例。批復(fù)立項(xiàng)后，一系列技術(shù)挑戰(zhàn)擺在了團(tuán)隊(duì)面前：幾十套液壓作動(dòng)器要解決控制問題、承載試件臺(tái)體要滿足剛度強(qiáng)度要求、加載頻率受限、流固耦合場(chǎng)景復(fù)雜……“我們的大科學(xué)裝置要解決既有設(shè)施無法解決的問題，一定要有突破性的技術(shù)。”團(tuán)隊(duì)成員楊政龍說。
比如，一個(gè)物體要實(shí)現(xiàn)大幅度運(yùn)動(dòng)，它的頻率就不會(huì)很高，這是物理學(xué)上的限制。為了讓振動(dòng)臺(tái)同時(shí)具備兩項(xiàng)能力，團(tuán)隊(duì)在全球首創(chuàng)了“雙六自由度疊加復(fù)合振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)”。“我們?cè)O(shè)想讓這套系統(tǒng)上面專門‘跑’高頻，下面專門‘跑’長(zhǎng)行程，然后兩個(gè)‘疊加’。”技術(shù)負(fù)責(zé)人吳昊說。
團(tuán)隊(duì)心里也沒底。這樣的“疊加”，難度不是“加法”，而是“乘法”。劉銘劼回憶：“硬件我們需要找廠家聯(lián)合攻關(guān)，算法代碼我們要從頭寫。正式建設(shè)前，還要在小一點(diǎn)的振動(dòng)臺(tái)上反復(fù)試驗(yàn)。”
那幾年，團(tuán)隊(duì)成員們經(jīng)常起早貪黑，“泡”在實(shí)驗(yàn)室里寫代碼，在廠家車間盯進(jìn)度，吃住在建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)，都是常事。他們自主研發(fā)的氣枕式防水結(jié)構(gòu)，解決了水下振動(dòng)臺(tái)密封難題；多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)沒有成熟配套，均由團(tuán)隊(duì)自主完成“最后10%”優(yōu)化……
從2019年開工到2024年投用，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)用5年左右的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了對(duì)國(guó)外同類型設(shè)施的超越，成為能復(fù)現(xiàn)幾乎所有地震場(chǎng)景的大科學(xué)裝置。
攻關(guān)歷程也讓劉銘劼對(duì)“有組織科研”有了更深層次的理解。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)涵蓋天津大學(xué)水利工程、土木工程、船舶與海洋工程及自動(dòng)化、通信、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、材料、管理等多個(gè)學(xué)科，5年多時(shí)間里，每周一次的工作推動(dòng)會(huì)幾乎雷打不動(dòng)。
大科學(xué)裝置要建好，更要用好。投入運(yùn)行以來，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)積極拓展應(yīng)用場(chǎng)景，從工程領(lǐng)域向工業(yè)產(chǎn)品抗震測(cè)試拓展，自身角色也在從“采購(gòu)方”向“服務(wù)提供方”轉(zhuǎn)變。
“建設(shè)這樣的大科學(xué)裝置，是有各種節(jié)點(diǎn)的，可以‘拆解任務(wù)、倒排工期’。可是到了運(yùn)行階段，科學(xué)研究的難點(diǎn)、行業(yè)痛點(diǎn)在哪里，我們還要主動(dòng)深挖解決。問題還是從國(guó)家需求、行業(yè)發(fā)展中來。”劉銘劼說。
場(chǎng)景二：
“往往更加看重學(xué)生提出問題、解決問題的能力”
“神經(jīng)信號(hào)織成網(wǎng)，意念欲把小球掌。”20名大一學(xué)生各自的“意念”穿過電路，讓風(fēng)洞中的小球穩(wěn)定懸浮……這是天津大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院的腦控實(shí)驗(yàn)室里，全國(guó)首屆腦機(jī)接口專業(yè)方向的首門項(xiàng)目式課程中的一幕。
課堂上，每位同學(xué)都需要自主設(shè)計(jì)搭建一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，大家“腦洞大開”，各自完成了自己的技術(shù)“進(jìn)化”，設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)也是各有所長(zhǎng)——
劉同學(xué)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能通過外置OLED屏實(shí)時(shí)顯示腦電波的FFT頻譜；段同學(xué)的腦電采集系統(tǒng)擁有逼近理想仿真結(jié)果的帶通濾波和陷波性能；蔣同學(xué)的控制模塊可以讓風(fēng)洞小球在±2毫米的超低誤差內(nèi)懸浮……
“這樣的項(xiàng)目式課程，腦機(jī)接口專業(yè)方向一共開了4門，除了‘認(rèn)知增強(qiáng)的意念小球’，還有‘生理信號(hào)無線采集系統(tǒng)’‘腦控機(jī)器人’‘腦機(jī)智能融合系統(tǒng)’。”天津大學(xué)醫(yī)學(xué)院副院長(zhǎng)、教授楊佳佳介紹。
依托未來技術(shù)學(xué)院的跨學(xué)科平臺(tái)，腦機(jī)接口專業(yè)方向聯(lián)合醫(yī)學(xué)院、智算學(xué)部、機(jī)械學(xué)院、微電子學(xué)院的師資開展項(xiàng)目式課程，將神經(jīng)科學(xué)、工程設(shè)計(jì)、電子電路、信號(hào)處理等傳統(tǒng)知識(shí)模塊重組為“腦機(jī)接口全技術(shù)鏈條”知識(shí)和技能體系。
天津大學(xué)是全國(guó)新工科建設(shè)工作組組長(zhǎng)單位。近年來，天津大學(xué)迭代升級(jí)新工科方案，構(gòu)建面向未來的人才培養(yǎng)新范式。
“新的專業(yè)、新的教學(xué)模式，老師們也需要把大量精力投入到課程設(shè)計(jì)和指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)上去。”楊佳佳說，“我們往往更加看重學(xué)生提出問題、解決問題的能力。”
場(chǎng)景三：
“在基礎(chǔ)前沿領(lǐng)域探索，離不開良好的團(tuán)隊(duì)氛圍”
走進(jìn)天津大學(xué)合成生物技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，各種自動(dòng)化設(shè)備不停運(yùn)轉(zhuǎn)，有的走廊過道也成了不少學(xué)生的臨時(shí)工位。
今年7月，天津大學(xué)合成生物技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)布了Mb（百萬堿基對(duì)）尺度人類基因組的從頭合成組裝、跨物種轉(zhuǎn)移與功能重塑的最新成果。近年來，該實(shí)驗(yàn)室在基因組設(shè)計(jì)合成、人工細(xì)胞構(gòu)建、DNA數(shù)字信息存儲(chǔ)等前沿領(lǐng)域不斷取得突破。
如果說，基因組測(cè)序是“讀懂”基因，基因組合成就是“編寫”基因。2011年，國(guó)際科學(xué)合作項(xiàng)目“釀酒酵母基因組合成計(jì)劃”啟動(dòng)，這是人類首次嘗試改造并從頭合成真核生物，其重要性不亞于上世紀(jì)的“人類基因組計(jì)劃”。
當(dāng)時(shí)，合成生物學(xué)發(fā)展還處于早期階段，國(guó)內(nèi)這方面研究基本上是空白。“合成生物學(xué)專業(yè)到底是什么、具體怎么做，全世界都知之甚少，因?yàn)樗把亓恕！碧旖虼髮W(xué)合成生物學(xué)系主任、教授吳毅說。
中國(guó)科學(xué)院院士、天津大學(xué)教授元英進(jìn)卻敏銳察覺到該領(lǐng)域的潛力。在他的倡議和推動(dòng)下，2012年起，天津大學(xué)開設(shè)了構(gòu)建人工基因組的本科生課程。
“像造房子或者造汽車那樣，先‘燒制’出磚頭或者零件，然后再按照規(guī)則組裝起來最終形成產(chǎn)品，運(yùn)用工程學(xué)的一些方法來研究生物學(xué)……”元英進(jìn)認(rèn)為，發(fā)展合成生物學(xué)既符合學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)，也暗合學(xué)校的“工科基因”。在為人工合成染色體“添磚加瓦”的過程中，學(xué)生們也逐漸培養(yǎng)起科學(xué)精神、科研能力。
當(dāng)時(shí)還在讀本科的吳毅，就是“釀酒酵母基因組計(jì)劃”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的一員。在合成長(zhǎng)達(dá)770kb（千堿基對(duì)）10號(hào)染色體的過程中，他和團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了基因組缺陷靶點(diǎn)快速定位與精確修復(fù)方法，解決了全化學(xué)合成基因組導(dǎo)致細(xì)胞失活等難題。2017年，他以第一作者的身份，在《科學(xué)》上發(fā)表了項(xiàng)目成果。而在同期雜志發(fā)表論文的作者中，有幾十名曾與他一同加入這門課程的本科生和研究生。
從開啟基因組重排這一全新研究領(lǐng)域，到發(fā)現(xiàn)不同尺度人工基因組重排的雜合性缺失現(xiàn)象；從電能細(xì)胞設(shè)計(jì)構(gòu)建到創(chuàng)新DNA存儲(chǔ)方案——近年來，天津大學(xué)合成生物學(xué)領(lǐng)域得到長(zhǎng)足發(fā)展。近期，元英進(jìn)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)了Mb尺度的高度重復(fù)人類基因組序列精準(zhǔn)合成。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)還對(duì)天津大學(xué)“長(zhǎng)片段DNA高精度合成系統(tǒng)”項(xiàng)目進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)考察，該校在合成生物學(xué)高端科研儀器國(guó)產(chǎn)化方面又邁出關(guān)鍵一步。
“在基礎(chǔ)前沿領(lǐng)域探索，離不開良好的團(tuán)隊(duì)氛圍。元英進(jìn)老師一直強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生有充分的自主權(quán)。對(duì)學(xué)生的進(jìn)展他總是很關(guān)心，及時(shí)給予正向反饋，對(duì)錯(cuò)誤他又十分包容。”吳毅說。
當(dāng)年做釀酒酵母基因合成時(shí)，吳毅就經(jīng)常冒出大膽的想法。“這個(gè)序列有問題了，大家就說你一段一段地‘修’。我提出能不能把一段好的、一段不好的拼接起來‘修’？元老師鼓勵(lì)我去試試，‘這樣你就能節(jié)省半年的時(shí)間’，后來我真的成功了。”
幾年前，還在讀博士的吳毅第一次做學(xué)術(shù)報(bào)告，就是在一個(gè)比較重要的國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上。“元老師對(duì)我說，‘從你站在講臺(tái)上的那一刻起，你就具備這樣的能力了’。”
如今作為實(shí)驗(yàn)室主要研究者，吳毅自己也帶學(xué)生。他說，自己看重學(xué)生是否有“發(fā)自內(nèi)心的興趣”，更看重他們的心態(tài)。“從零起步到站在世界前沿，我們現(xiàn)在要做的更多是前人沒有做過的事，做基礎(chǔ)研究要有主動(dòng)性，要做好‘打硬仗’的準(zhǔn)備。”
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