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2013年度"中国高等学校十大科技进展"入选项目
2013-12-25    中国教育报

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2013年度“中国高等学校十大科技进展”入选项目介绍

  一、化学小分子诱导体细胞重编程为多潜能性干细胞

  传统观点认为,哺乳动物细胞只有在胚胎发育的早期具有分化为各种类型组织和器官的“多潜能性”,而随着生长发育成为成体细胞之后会逐渐丧失这一特性。人类一直在寻找方法让已分化的成体细胞逆转,使之重新获得“生命之初”的多潜能性,并将其重新定向分化成为有功能的细胞或器官,应用于治疗多种重大疾病。此前,通过借助卵母细胞进行细胞核移植或者使用导入外源基因的方法,体细胞被证明可以被“重编程”获得“多潜能性”,这两项技术还获得了2012年诺贝尔生理医学奖。但是,这两项技术具有伦理限制或潜在的遗传突变等风险,大大限制了其在再生医学中的进一步临床应用。

  邓宏魁团队开辟了一条全新途径,首次使用小分子化合物诱导体细胞重编程成为多潜能干细胞,该种细胞被称为“化学诱导的多潜能干细胞(CiPS细胞)”。该方法摆脱了以往技术手段对于卵母细胞和外源基因的依赖,避免了传统重编程技术在应用上的缺陷。提供了更加简单和安全有效的方式来重新赋予成体细胞“多潜能性”,是体细胞重编程技术的一个飞跃。该成果于7月8日发表在国际学术权威杂志《Science》。这为未来细胞治疗甚至器官移植提供了理想的细胞来源,将极大地推动治疗性克隆——克隆组织和器官以用于疾病治疗——的发展。

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  二、昼夜不对称增温对北半球陆地生态系统的影响研究

  相比于白天,地球在夜晚时正以更高的速率变暖:在过去的50年里,日最低温度升高速度比日最高温度升高速度要快40%。然而,一直以来人们很少关注这种昼夜不对称增温对植被生长和生态系统功能的影响,成为当前的全球变化研究的一个空白点。为了解答这一问题,北京大学研究小组与中科院青藏所、法国科学院以及河南大学等单位合作,利用遥感数据、大气CO2浓度观测数据、以及气象数据,并结合大气反演模型,系统地研究了白天和晚上温度上升对北半球生态系统生产力和碳源汇功能影响及其机制。

  研究发现,昼夜不对称增温对北半球生态系统碳源汇功能的影响显著,而且表现出明显的地带性规律。白天温度升高有利于大部分寒带和温带湿润地区植被生长及其碳汇功能,但并不利于温带干旱和半干旱地区植被生长。而夜间温度上升对植被生长的影响则与白天相反。这一发现纠正了过去普遍认为温度上升有利于北半球植被的生长、从而有利于提高生态系统碳汇功能的认识,为科学预测陆地生态系统长期动态变化研究提供了一个重要的理论基础。

  该研究结果于2013年9月发表在Nature杂志,得到了国内外同行的高度评价。Nature杂志在同一期专门发表了一篇来自于全球生态学专家Dr. Still的评述,探讨了这项工作的重要性及其意义。

  三、高速铁路跨区间无缝线路理论体系、关键技术及工程应用

  跨区间无缝线路是用焊接长轨条连续铺设的轨道,彻底消除了钢轨接头,是保障高速铁路高平顺、低维修的核心技术。没有跨区间无缝线路,剧烈的轮轨作用将严重制约高速铁路发展。在研究之初,跨区间无缝线路面临与复杂气候适应性、长大桥及高架站协调性及安全服役可控性等关键难题。

  北京交通大学高亮教授研究团队通过理论创新与技术突破,形成了具有自主知识产权的跨区间无缝线路理论与应用技术体系。创建了无缝道岔精细化分析理论及设计方法,攻克了大温差地区大号码道岔无缝化的技术难题;创立了无缝线路—长大桥梁空间耦合分析理论,突破了长大桥无法连续铺设无缝线路的技术瓶颈;自主研发了协同仿真系统,创建了高架站无缝道岔分析理论和设计方法,解决了高速铁路这一重大难题;构建了跨区间无缝线路监测、评估体系,填补了该领域空白。

  该项目形成相关规范标准7项、并取得知识产权数十项,在国内外学术刊物上发表论著上百篇,专著《高速铁路无缝线路关键技术研究与应用》被专家认为“具有重要的学术价值及应用价值”。

  研究成果整体处于国际先进水平,在国内多条高速铁路及泰国、伊朗等国铁路建设中获得广泛应用,经济效益显著,对我国乃至世界高速铁路大规模建设具有重要意义。

  四、天河二号超级计算机系统

  天河二号超级计算机系统峰值性能每秒5.49亿亿次,持续性能每秒3.39亿亿次,能效比每瓦特19亿次,名列2013年6月第41届国际超级计算机500强排行榜TOP500的第一名,并在11月第42届TOP500蝉联世界第一。中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平对天河二号研制成功作出重要批示,并亲临学校视察了该系统。

  项目起步于2009年,在国家自然科学基金委、国家“核高基”重大科技专项的支持下开始预先研究与关键技术攻关;2011年在国家“十二五”863计划“高效能计算机及应用服务环境”重大项目支持下开始工程实施,2013年5月完成研制任务。自主研制了3款芯片、4类结点、2套网及系统软件等核心构件,具有高性能、高能效、应用面广、易用性好和可用性高等显著特点。系统研制过程中取得了异构多态体系结构、微异构计算阵列、自主高性能CPU、支持十亿亿次级系统的自主定制高速互连网络、层次式加速存储架构、自主并行编程模型和多领域并行编程框架、多层次容错设计和一体化故障管理、综合化能耗控制等一系列核心关键技术突破,综合技术水平进入世界领先行列。

  天河二号作为国家超级计算广州中心业务主机已投入运行,主要应用于大科学、大工程、产业升级和信息化建设等领域。

  五、空间机械臂技术

  空间机械臂安装在航天器外侧、暴露在太空,工作环境恶劣。它具有六维空间精确定位和手爪精细操作能力,是航天器在轨维修和维护的核心装备。哈尔滨工业大学刘宏教授带领的研究团队,在国家“863”计划支持下,十余年来从基础研究到关键技术攻关再到工程应用,在空间机械臂的设计、制造、装配、集成、测试与试验等取得重大进展。

  发明了具有冗余容错,集机、电、热、控于一体的模块化关节,并在此基础上提出了可折叠机械臂构型,实现了最小空间的发射锁紧配置;发明了位姿大容差、结构紧固连、释放微干扰的轮廓渐进收拢式手爪,攻克了空间目标的分离和捕获技术瓶颈;建立了柔性关节的空间机械臂动力学模型,有效抑制了机械臂的末端残余抖动,实现了机械臂的精确定位;提出了动基座下动目标的相对运动预测方法,实现了浮动基座情形下大时延的运动目标自主视觉伺服跟踪;提出了重力环境下物理半物理相融合的方法,建立了模拟空间微重力的机械臂三维运动综合平台,攻克了机械臂地面测试的技术难题。

  空间机械臂的在轨试验结果达到预期,各项指标满足要求,定位精度属于国际领先,填补了我国在该领域的空白,为空间机械臂在我国空间站建设、行星探测等领域的应用奠定了坚实基础。 

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