中国工程院外籍院士畅谈前沿工程科技

从飞机噪音控制到风灾减灾，从智能材料到大数据存储，从肿瘤治疗到厕所革命...5月30日，在中国工程院第14届院士大会上，来自不同研究领域的6名外国院士与与会院士分享和交流了一系列工程科技前沿学术成果。

中国工程院外籍院士安道林

从低噪音飞机到噪音控制

■新宇，本报见习记者

为提高潜艇声纳系统的信噪比，轮胎与道路的相互作用，低污染燃烧和自适应主动燃烧控制...中国工程院外国院士、英国皇家工程院院长安道林作为这一系列研究的参与者，带来了许多新的应用，包括声纳系统的特殊涂层、新一代海洋石油勘探声学天线以及喷气发动机的燃烧控制。

考虑到低噪声飞机的需求和重要性还没有得到足够的重视，安藤忠将这些新的应用带回航空声学领域，进一步研究协和式超音速喷气式飞机和飞机噪声。

近年来，第二代涡轮喷气飞机使民用飞机的噪音水平下降，每乘客英里的燃料消耗也逐渐减少。这让人不禁要问，从一张白纸开始，谁能设计出一架在典型机场外听不到声音的中程客机？

“这意味着声能下降到当前水平的0.3%左右。如果有可能设计出这样一种“无声”飞机，与当前和下一代飞机相比，它的燃料将如何燃烧和排放？安藤林说。

因此，安藤忠雄与来自剑桥大学和麻省理工学院的40多名研究人员合作，与波音公司、劳斯莱斯公司、马歇尔公司和美国国家航空航天局一起启动了“低噪音飞机计划”。

低噪声飞机是指在白天城市环境中可以降低到背景值的飞机噪声。安多林在报告中说，该研究初步分析了传统飞机噪声源(通风进气口、通风排气口、涡轮、排气喷嘴等)的噪声水平。)在起飞和进近期间，这有助于进一步计算每个噪声源的可减少性。

其次，通过低噪声飞机的概念设计和低噪声促进技术，对起飞推力管理进行优化，使其以换挡阈值、低发动机转速和大角度进入现场。此外，低燃料消耗促进技术被用于确保更低的能量消耗。最后，预测的噪声水平表明，在各种条件下，静音飞机的噪声水平比现有机队的噪声水平低约25EPNdB。安多林说，“低噪音飞机计划”有望实现现有机队噪音的一个阶跃变化。“我们在此基础上开发了一种新概念飞机，可以用更少的燃料将215名乘客从北京运送到伦敦。更重要的是，这次飞行中产生的噪音水平大幅下降。”

“低噪音飞机计划”开发了一种新型超低噪音节能飞机的概念设计。安多林已经对管道火焰的燃烧振荡形成了基本的理解，证明了主动反馈控制是消除导致不稳定性的破坏性相互作用的一种强有力的方法。

由表面柔度、边界层和表面特性组合而成的波导极大地改变了测量场，从而显著地减少了近表面气流产生的声音。安多林不仅率先澄清了这些影响，还解释了如何通过正确选择表面涂层来控制它们。

安道林带领英国皇家工程院和中国工程院开展了一系列卓有成效的合作，包括创新、校企合作、战略性新兴产业、先进制造业和重大全球性挑战。

“我努力实现激励我从事研究事业的价值观，并鼓励年轻人进入工程领域，为工程领域做出更多贡献。”安道林说:“我认为将学术和商业联系起来非常重要，这有助于更好的合作模式，并将改变合作研究的结果。艰难的挑战也可能成为变革性研究的驱动力。我们需要更多更好的国际研究合作来应对这一共同挑战。”

中国工程院外国院士田村幸雄

利用全尺寸风暴模拟器减少灾害损失

■我们的记者倪思杰

5月30日，国际风工程领域的代表人物、中国工程院外国院士田村幸雄在简短介绍后，向观众展示了过去几年世界经历的几次风灾。

1970年11月，孟加拉国巴基斯坦东部的“布拉”飓风造成50万人死亡，经济损失达4.6亿美元。2005年8月，卡特里娜飓风袭击美国，造成2541人死亡，经济损失约1000亿美元。2008年5月，“纳尔吉斯”气旋袭击缅甸，造成138 366人死亡，经济损失100亿美元。2013年11月，台风海燕袭击菲律宾，造成7，986人死亡和失踪...

“自然灾害频繁发生。虽然我们无法预测其规律性，但我们为什么不采取长期对策呢？”田村幸雄说。

人类生活在大气边界层中。在这个范围内出现的气流通常被称为风，而极端强风如热带气旋将对基础设施和人员造成严重损害。即使是微弱的风或中等的风也可能引起结构或建筑构件的剧烈振动，并可能对人类社会造成严重的、长期的、无形的环境影响，如空气污染。

近年来，破坏性天气灾害、风暴和洪水的频率日益增加，相关的经济损失也显著增加。

"建筑物越来越高，桥梁越来越长，这使得它们越来越容易被风吹倒。"田村幸雄说。

据他统计，2005年至2014年，美国每年因自然灾害造成的经济损失为450亿美元，中国为270亿美元，日本为240亿美元。

他说，为了减少“与风有关的灾害”的风险，最终实现更安全和更稳定的社区，风力工程研究人员仍然需要解决许多新问题，“正如基于全球变暖和气候变化所做的假设，与风有关的灾害风险在未来将继续恶化”。

然而，长期致力于结构风工程研究的田村幸雄在研究过程中也发现，目前应对风致灾害的难点在于，对数百年或数千年来罕见的破坏性事件的建筑物和结构性能的验证工作仅仅是基于对偶然破坏迹象的模糊判断。

"这个过程就像在黑暗中摸索一样."田村幸雄说。

他说，与建筑物和结构的性能评估相比，风力工程师对风荷载评估更感兴趣，因此使用比例模型的风洞试验非常有帮助。然而，缩尺模型对于结构性能评估或极端风、暴雨、降雪等气象因素的综合影响评估并无帮助。

“不能让悲剧重演！我们需要准确评估建筑物和结构的抗风能力，尤其是覆层和组件系统的性能。”田村幸雄说。

他建议，为了减少灾害风险，有必要建立一个全尺寸的风暴模拟器，在受控条件下重现真实的罕见事件。

"全尺寸风暴模拟器可以全尺寸再现极其罕见的事件和现象."田村幸雄表示，全尺寸风暴模拟器可以减少2%的自然灾害经济损失，提高国家危机控制能力。

“我们今天投资，明天储蓄。未来不应该是悲剧，而是给我们孩子的礼物！”田村幸雄说。

中国工程院外国院士顾敏

让大数据存储更环保、更快、更长

■我们的记者李晨阳

“我们生活在一个大数据时代。”中国工程院外国院士、中国澳大利亚科学院院士顾敏走上讲台，以一句看似老生常谈的话开始了他的报告。

随着计算机网络技术的飞速发展，人类社会的信息量呈爆炸式增长。根据互联网数据中心的估计，到2020年，信息量将超过40ZB，到2025年将超过162ZB。信息生成的速度将远远超过数据的存储容量。

随着脑科学项目和引力波探测等大型科学项目的推进，科学研究对长数据的需求也在增加。科技工作者呼吁建立寿命更长、容量更大的数据存储中心。

人们也为存储更多的信息付出了巨大的代价。2011年中国数据中心的耗电量相当于三峡大坝的年发电量。按照目前的增长率，仅用10年时间，世界石油生产能力就无法满足数据存储的功耗需求。

这是像顾敏这样的科学家面临的困难挑战，也是全人类面临的严重问题。

传统的大数据中心由数千个硬盘阵列组成，使用低存储密度的电子或磁性存储介质。它占用空间大，耗能高，速度有限，安全隐患大。为了确保数据安全，硬盘阵列必须每3到5年备份一次，这进一步增加了资源消耗。

创新的关键在于存储介质的升级。“我们的解决方案是纳米光电子，”顾敏说。

1873年，德国物理学家恩斯特·阿贝发现了著名的“衍射极限”，为现代光学成像设备和光学存储奠定了基础。同时，它还将DVD和蓝光技术的存储密度限制在5GB到25GB的物理瓶颈。

此后，如何突破衍射极限一直是一代又一代科学家的目标。20世纪90年代，斯特凡·赫尔和其他科学家利用荧光分子绕过衍射极限，获得了超高分辨率荧光显微镜，获得了2014年诺贝尔奖。

熟悉的光盘面对同样的玻璃天花板。为了使光盘更小、更大、更环保，顾敏和他的同事们从未停止过研究。

2009年，顾敏团队首次实现了纳米材料的五维光学存储，突破了蓝光DVD三维存储的技术瓶颈。2013年，顾敏团队发明了突破性的自旋技术，该技术可以在不改变容量的情况下大幅增加存储容量。一张旋转光盘的容量相当于10000张DVD光盘。

经过不懈努力克服困难，顾敏团队最终实现了单PB容量的绿色光子存储技术，其存储容量是蓝光技术的40万倍。换句话说，原来100米级的数据中心现在可以被10厘米级的光盘取代，节省了大量基础设施材料和90%以上的能耗。这使得电子商务甚至ZB的大数据中心不再是天方夜谭。

这一成就出来后，顾敏和他的同事们由衷地感叹:“我们迎来了一个新时代。”他们相信，大容量绿色光子存储技术的发展将引发信息技术领域的一场新革命，开启一个可持续发展的大数据时代，为建设一个更绿色、更大容量、更高速的全光光子大数据中心奠定基础。

在报告中，顾敏特别提到了他与中国科学家的一系列合作。他还说，他有一个梦想，让中国每个县都有一个光学数据中心。"中国大约有3000个县，这是一个巨大的市场."顾敏说。

尼古拉斯·佩帕斯，中国工程院外国院士

生物医学智能材料设计

■我们的记者李晨阳

" 1992年12月，一种疾病改变了我的生活。"在报告中，中国工程院外国院士、美国国家工程院院士尼古拉斯·佩帕斯分享了他的经历。那时，他的病难以忍受，他不能走路。直到一种叫做干扰素β的生物活性物质被注射到他的肌肉中，他的身体状况才得到改善。

"就在那时，我意识到了生物医学的重要性."他说。

根据Peppas的说法，人们正生活在医学发展历史上最激动人心的时代。先进的生物医学材料、改良的生物分子和先进的医疗设备都在改善患者的生活质量。各种新兴的技术、概念、方法甚至医疗系统使得“治疗疾病”的事件更加个性化，并且可以为每个人设计不同的治疗方案。

在越来越先进的生物医学解决方案中，先进生物材料的重要性日益突出。

“当我在麻省理工学院获得硕士学位时，我主要担心的是植入我体内的材料必须无毒无害。”佩帕斯说。然而，随着这门学科的迅速发展，他发现无害只是最基本的要求。这些物质能被人类免疫系统接受吗？它能尽快被人体代谢和降解吗？它在存储环境中是否稳定？材料成本是否足够低，不会给国家财政造成太多负担？所有这些问题都关系到他科研工作的成败。

2016年，佩普和其他人在《自然》杂志上发表了一篇文章:“制造更好、更安全的生物材料”。他们对临床应用的坚持促使他们对一种又一种新聚合物进行测试和实验。

现在，Peppas正在寻找未来的生物材料。他说:“接下来，我们将探索智能生物材料在大分子药物释放和分子识别方面的几个具体应用。这些材料在疾病治疗、生物传感和再生医学中非常有用。”

智能生物材料可以与人体内的天然生化成分相互作用，不会产生任何副作用。当一个人生病时，身体不能独立调节日常的生理生化活动。如果智能材料能够参与人体的新陈代谢、再生和愈合等自然机制，患者的舒适度将会显著提高，疼痛将会大大减轻，这无疑将是生物医学领域的一次巨大飞跃。

Peppas给出了另一个例子。理论上，SiRNA治疗是一种非常有效的治疗方法，但在临床应用中，由于缺乏有效的药物释放系统，它一直处于停滞状态。2012年，几位药物释放专家公布了一种用于SiRNA口服药物释放的载体。当暴露于消化道时，载体可抵抗特殊的酸碱度环境和消化酶，并以靶向方式将药物递送至患病组织。由于SiRNA自身不能穿过细胞膜，这种载体可以携带SiRNA药物被细胞吞噬，然后通过溶酶体逃逸释放药物。

"这些生物材料具有巨大的市场潜力."佩帕斯说。他很高兴看到纳米技术、生物化学、分子生物学和材料科学等不同学科的人才汇聚一堂，通过研究和开发智能生物材料，共同努力解决重大医学问题。

中国工程院外籍院士迈克尔·霍夫曼

“厕所革命”实现现场污水处理

■我们的记者齐鲁

根据世界厕所组织的数据，世界上有24亿人没有厕所或生活在厕所的恶劣卫生环境中。结果，一些国家造成了大量疾病，如疟疾，因为直接污染物造成土壤、食物和水污染。

5月30日，中国工程院外籍院士、美国加州理工学院环境科学与工程系教授迈克尔·霍夫曼在第十四届中国工程院院士大会上发表了关于“厕所革命”的报告。

"这个项目始于2011年我研究生涯的后半期."霍夫曼40多年的学术生涯研究涵盖了广泛的领域，如大气化学、化学动力学、催化氧化和还原、光化学、光催化、纳米技术、声化学、光电化学、脉冲等离子化学、环境水化学和微生物学。

在比尔和梅林达·盖茨基金会的支持下，霍夫曼的研究小组开发、测试并实施了一个方便的反应系统，该系统是专门为现场处理生活废水而设计的。

生活废水经一套连续厌氧/好氧折流板生物反应器预处理后，立即用半导体电化学阵列进行处理。这里的化学需氧量和微生物生物量都将降低到低于美国环境保护局的再利用标准值。

“特殊的微型反应器用于将处理过的废水转化为淡水，用于洗手和饮用。”霍夫曼说，“经过处理的废水将被收集到冲洗池中，不会排放到周围环境中。”

饮用水和厕所相关疾病是五岁以下儿童死亡的主要原因之一。不安全的供水和厕所与儿童发育迟缓有关，影响到全世界1.56亿儿童。

据介绍，霍夫曼研究小组设计的反应系统可以通过消除悬浮颗粒和降低化学需氧量(COD)95%以上，并从整体上消除粪大肠菌群、大肠菌群、病毒和大肠菌群来净化废水。其原理是原位氯化物与水阴极还原形成的氢气反应产生阳极活性氯，可用于肠道菌群的消毒以应对细菌和病毒。

目前，该系统的第三代原型正在缺乏常规城市污水排放处理基础设施的地方进行测试。

2013年，霍夫曼与中国科研机构和企业合作。他们在江苏宜兴成立了一家公司，生产太阳能设备，并为发展中国家提供相关的生化和电化学反应器系统。

"我们正在进行广泛的原型制造，并在一些地方进行试点."霍夫曼说，他们在宜兴的一所小学安装了厕所设施，效果很好。与此同时，一个公园还安装了光伏发电设施，供许多人使用厕所，每天接待2600人。

此外，他们还与印度的ERAM科学和科勒公司(美国/中国)建立了额外的工业合作，以生产适用于印度城市和郊区环境的设备。

在成本问题上，霍夫曼表示，核心半导体阳极性能和耐用性的提高以及材料的改进将不断降低生产成本，并且安装的处理系统可以在没有外部电源或淡水的情况下正常工作。

“目前，南非、秘鲁、中国南方和柬埔寨的大型设备已经组装完毕。”霍夫曼说，“我们希望带来一场‘厕所革命’，并在5年内为发展中国家卫生设施的改善做出贡献，从设计理念到全面生产。”

尼古拉斯·罗伯特·莱蒙，中国工程院外国院士

溶瘤病毒疗法可以预防和治疗癌症。

■新宇，本报见习记者

近年来，人类对癌细胞的产生以及癌细胞发育过程中基因和分子的变化的研究使得通过靶向恶性肿瘤细胞中特殊的信号通路和检查点的异常来开发新的治疗方法成为现实。

中国工程院外籍院士、英国贝茨癌症研究所所长尼古拉斯·罗伯特·莱蒙(Nicholas Robert Lemon)从基因组学和分子病理学的角度，在癌症生物治疗和疫苗研发方面取得了新的突破。他的研究项目包括基因改造溶瘤病毒的早期临床试验和将免疫细胞重新定位于患者体内。

"我的工作是探索溶瘤病毒和癌症之间的关系."柠檬说。

会上，莱蒙介绍了溶瘤病毒作用于肿瘤细胞的基本原理和过程。经过修饰后，病毒只会选择性地在肿瘤细胞中复制，而不会在正常细胞中复制，并且会导致肿瘤细胞在复制过程中溶解并释放新的病毒体。

据莱蒙说，释放的新病毒可以再次感染邻近的肿瘤细胞，进行下一轮的感染和肿瘤细胞裂解。

当溶瘤病毒治疗应用于癌症治疗时，发现p53和pRB是在溶瘤病毒治疗中起关键作用的两个重要基因。P53肿瘤抑制基因通过调节相关信号通路参与DNA复制和修复。如果修复失败，P53将启动程序性凋亡过程以诱导细胞自杀，并防止具有癌变倾向的突变细胞的产生，从而防止细胞恶性转化。

通过比较溶瘤病毒疗法与其他常规癌症化疗的疗效，发现溶瘤病毒疗法可以缩小肿瘤大小，经过长期随访观察，发现一年后溶瘤病毒疗法可以有效杀死癌细胞。柠檬说，已经证明溶瘤病毒疗法对晚期癌症的治疗也有很好的效果。

研究表明，免疫系统可能是治疗癌症和防止癌症复发的最强有力的武器。溶瘤病毒不仅能直接溶解被感染的恶性肿瘤细胞，还能引起强烈的特异性机体免疫反应，攻击病毒抗原和肿瘤细胞特异性突变抗原。

莱蒙在报告中说，溶瘤病毒通过树突状细胞摄取释放的肿瘤抗原，导致树突状细胞成熟和肿瘤特异性T细胞启动。活化的肿瘤特异性T细胞通过血液回输。最后，大量肿瘤细胞被细胞毒性T细胞识别和杀死，从而防止癌细胞扩散。

“这种抗肿瘤特异性免疫反应可以通过武装肿瘤病毒来表达细胞因子和趋化因子，从而增强肿瘤特异性免疫细胞在肿瘤微环境中的聚集和活性。”柠檬说。

莱蒙说，为这种免疫疗法开发的新肿瘤治疗剂主要用于治疗临床上没有有效治疗方法的癌症。这些癌症包括胰腺癌和食道癌。胰腺癌预计将在2030年成为西方世界第二大致命癌症。食道癌是中国部分地区第一大致命癌症。

食管癌的防治是困扰河南省的一大公共卫生问题。柠檬和郑州大学医学科学院共同建立了中英分子肿瘤研究中心，并在该领域开展了国际和跨学科合作。溶瘤病毒技术已经应用于食管癌的治疗，并采取了一系列有效的措施来治疗和预防食管癌。

中国科学杂志(2018-001第二版学术版)