对标世界前沿 对接国家战略 对准社会需求

复旦科技:在融合创新中“顶天立地”

作者:李沁园、何叶、吕艾雨、李晨摄影: 视频: 来源:新闻文化网发布时间:2020-01-18

【编者按】2019年是新中国成立70周年,是决胜全面建成小康社会、实现第一个百年奋斗目标的关键之年,也是复旦贯彻学校第十五次党代会精神的开局之年、建成中国特色世界一流大学的攻坚之年。这一年的复旦高举旗帜、扬鞭奋进,坚定信念、笃志育人,豪情壮志、勇攀一流,担当奉献、服务报国,取得了累累硕果。

复旦大学校刊、主页、官微陆续推出“只争朝夕 不负韶华 奋力开启新征程”系列专题报道,深度展现学校新作为、新成果、新面貌,记录百年复旦朝着中国特色世界一流大学目标迈进的坚实步伐。

张江复旦国际创新中心效果图

新闻中心讯 12月6日,张江复旦国际创新中心正式揭牌。中心建设效果图上,两幢相对的科研楼仿佛为张江科创中心立起一道创新之门。这处规划面积超过65万平方米的科创高地,承载着复旦大学聚焦国家重大需求、引领世界科技发展前沿的目标,未来预计将有7500位科研人员在此开展科学研究,共同探索全面开启世界顶尖大学建设新的增长极。

牵头项目获得2019年度国家自然科学奖二等奖3项、国家科学技术进步奖二等奖1项;17项国家重点研发计划项目获得批复,757项国家自然科学基金项目获得立项,11位学者入选国家杰出青年科学基金资助项目;复旦学者以通讯作者/第一作者身份在《细胞》《自然》《科学》《新英格兰医学杂志》等国际顶级学术期刊上发表论文16篇;获批2个国家级科研平台;新建校企联合实验室5家,新建地方研究院5家;获得授权专利319件……这些数字记录着2019年复旦大学的科技创新征程。

复旦牵头项目获得2019年度国家自然科学奖二等奖3项、国家科学技术进步奖二等奖1项

“当前,科技创新驱动在我国经济社会发展的核心作用越来越凸现,我们要清醒地认识到,高校科技创新不只要为扩大学术国际影响而努力,更要为国家经济社会发展和人类文明进步作出实质性贡献而奋斗。”2019年初的科技工作会议上,复旦大学校长许宁生为学校科技创新工作发展升级指明方向。一年来,复旦大学的科技工作者们聚焦关键领域自主创新,积极主动服务国家战略和经济社会发展,充分发挥跨学科多领域合作优势,走出一条在融合创新中“顶天立地”的科技创新之路。

2019年1月,复旦大学2018年度科技工作会议召开

2020年1月,复旦大学2019年度科技工作会议召开

“顶天”有道:加强科技创新源头供给 聚焦关键领域自主创新

走进位于张江校区的复旦大学人类表型组研究院,分子表型蛋白质组平台、分子表型代谢组平台等实验室分立于走廊两侧,透过门上的小窗望进去,科研人员头戴耳罩阻隔仪器运转时的噪音,神情专注地操作实验样本,记录显示屏上密密麻麻的数据——这是复旦大学人类表型组研究院的工作日常。

全球首个跨尺度、多维度的人类表型组精密测量平台在复旦大学建成

人类表型组是人体中除基因组之外的另一半生命密码,在生命医疗域发挥着“点石成金”的作用。随着“人类基因组计划”2001年完成,生命科学研究的“后基因组时代”已经拉开帷幕。复旦科学家瞄准人类表型组这一生物医学领域新的战略制高点,通过精确测量、精密解析“基因-环境-表型”之间的多层次关联及整体性关系,全面解读人类生命健康密码。

目前,人类表型组研究院承担着上海市首批市级科技重大专项“国际人类表型组计划(一期)”,服务于我国引领发起的“人类表型组”国际大科学计划和上海建设具有全球影响力的科技创新中心的重大战略需求,是张江复旦国际创新中心顶层设计部署“一计划两中心”的核心建设内容。通过制定人类表型组测量的国际通行标准和技术规范,对不同种族、不同个体、不同年龄的人群进行系统的表型组测量,绘制人类表型组参比图谱,并在此基础上实现精准干预与调控。

2019年,人类表型组研究院已初步建成全球首个跨尺度、多维度、跨时空人类表型组精密测量平台,分子表型平台已正式启动运行。同时,“中国人类表型组研究协作组”和“国际人类表型组研究协作组”相继建立运行,整合国内外力量、推进人类表型组国际大科学计划的战略实施方案雏形初具、稳步向前。

当前,多项大型人群队列研究已在复旦大学人类表型组研究院展开。分子表型代谢组平台负责人唐惠儒教授带领团队,与中科院上海生物化学与细胞生物学研究所、中科院武汉水生生物研究所等机构合作,发现并解析了一种全新的核酸修饰类型,为全面了解DNA修饰在调控生命活动中的重要性和复杂性提供了新思路。该成果对进一步了解表观遗传学的深度内涵具有重要意义,《自然》主刊于5月发表了这一重要成果。

在人类表型组研究院北侧不远处,一座巨大的伞状建筑格外醒目,自然光透过阳光谷的网状玻璃倾泻入地,将这座下沉式广场映衬得有些神秘。这里就是亚洲最大的磁共振平台——张江国际脑影像中心。该平台由复旦大学“双一流”建设项目与上海市“脑与类脑智能基础转化应用研究”市级科技重大专项支持共建,于7月揭牌,是复旦张江脑与类脑智能国际创新中心的核心实验技术平台,也是张江科学城重大科技基础设施的又一张世界级名片。

亚洲首台Terra 7T超高场人体磁共振扫描仪入驻张江国际脑影像中心

脑与类脑研究是国际重大科技前沿。以计算神经科学为桥梁,通过对脑影像信息等多尺度海量数据的定量分析,破译大脑信息处理与神经编码的原理,同时,通过逆向工程,模拟大脑工作机制,发展类脑智能算法,以类脑智能引领人工智能,是新一代人工智能颠覆性技术的制高地,也是张江脑与类脑国际创新中心100多名研究人员的科学梦想。

“把握这个制高点的关键在于拥有更精细更全面的脑测量数据。”复旦大学类脑智能科学与技术研究院院长冯建峰介绍:“影像中心采购的四台世界顶尖设备,相当于脑科学研究领域的哈勃望远镜。通俗地来说,就是对大脑的观察可以看得更清,看得更全,看得更准,让我们研究人员能够深入大脑内部探秘这个神奇的‘小宇宙’。”其中,超高梯度场强的Connectom 3T磁共振设备为全球第四台,Terra 7T超高场人体磁共振扫描仪为亚洲首台,BioSpec 11.7T超高场小动物磁共振扫描仪为中国首台。

借助顶尖仪器,张江国际脑库致力于建成国际最大的全维度脑科学数据库平台,囊括15000例病人和健康人的基因、影像、行为、环境样本。据悉,张江国际脑库干库五个重大脑疾病队列和健康人队列均已进入数据采集阶段。

顶尖的设施平台犹如磁场一样汇聚和吸引了全球顶尖人才合作和加盟,培育出众多临床研究和技术开发成果。通过对超过1万例影像遗传学数据的计算分析,冯建峰团队发现青少年大脑结构异常与精神疾病风险显著相关,有望揭示精神分裂症发病机制,为临床症状出现前的超前干预研究提供新思路。复旦大学计算机科学技术学院教授张军平与冯建峰联合研发团队提出的步态集合理论和算法,识别精度达到95%,比现有已知最好性能高出3个百分点,实现了步态识别关键技术突破。

通过构建脑影像中心、脑库、人工智能算法研究中心等多个研究单元,集成可解码智能的神经基础和智能的计算模拟的战略资源平台,张江脑与类脑国际创新中心极大推动了基础神经科学研究、脑重大疾病临床研究以及类脑智能技术开发,为新一代人工智能及相关产业的颠覆性变革提供创新源头。

“专用集成电路与系统国家重点实验室”“国家集成电路创新中心”“国家集成电路产教融合创新平台”“新一代集成电路技术集成攻关大平台”“长三角集成电路设计与制造协同创新中心”,在复旦大学张江校区正门口,五块标牌尤为醒目。标牌上颇具分量的名称,彰显复旦大学在集成电路领域的特殊使命。

新一代集成电路技术集成攻关大平台落户复旦大学

复旦大学是我国最早从事研究和发展微电子技术的单位之一。近两年,学校聚焦集成电路关键共性技术,主动对接国家“卡脖子”问题,构建开放平台,汇聚高端人才,开展源头创新,取得了不少新成果、新进展:提出了一种由单晶体管实现逻辑运算功能的新原理器件,为存算一体突破现有架构的限制奠定物理基础;研发出新一代自主知识产权亿门级FPGA产品,满足通信、医疗等领域对FPGA器件的迫切需求,助力这一领域的“卡脖子”问题的解决。

在基础研究领域,复旦大学物理学系的科研团队坚守深耕,也收获了丰硕的果实。10月,应用表面物理国家重点实验室张远波课题组及合作者的研究成果《单层铋锶钙铜氧中的高温超导性》发表于《自然》主刊,以直接实验证据展示出在二维铜基超导体领域取得的重大进展。

8月和11月,仅仅三个月内,《自然》和《科学》主刊分别刊登了复旦大学物理学系关于二维磁性材料的重要成果,这两项成果均有吴施伟课题组的一份力。吴施伟课题组先是与华盛顿大学许晓栋课题组合作,发现了由层间反铁磁产生的巨大的非互易二次谐波非线性光学响应,并揭示了三碘化铬中层间反铁磁耦合与范德瓦尔斯堆叠结构的关联;课题组又与复旦大学物理学系高春雷团队强强联手,利用自旋极化扫描隧道显微镜在原子级层面彻底厘清了双层二维磁性半导体溴化铬的层间堆叠和磁耦合间的关联,为二维磁性的调控提供新的维度。

化学系教授黎占亭领衔的科研团队入选了2019年国家自然科学基金创新研究群体。这一团队也从最纯粹的基础研究中获得了最前沿的创新成果。在针对孔型超分子结构构筑的基础有机化学研究中,团队合成到一种孔径可调、制备简单又高度稳定的“水溶性有序纳米孔结构”,并将这一国际上首次实现的周期性水相纳米孔结构,命名为“超分子有机框架”。

研究组发明的水溶性超分子有机框架纳米孔材料,可以原位负载和输送核酸

这类水相框架的结构特殊性及良好的生物相容性,使其具有制备生物应用材料的潜力。“它可以起到类似卡车一样的运输功能,将不同药物运送到体内不同的病变区域,或把不需要的物质快速移走。”将其作为药物输送或清除工具研发,是团队目前的主要研究方向。“科研需要以解决实际问题为导向。”黎占亭表示:“做出简单又有用的结果是我们追求的目标。”

“立地”有根:对接国家战略 服务经济社会发展

“我们要做有情怀的科研。”在冯建峰心里,再高深的科研成果也离不开科技工作者最朴实的追求:“老老实实做点事儿,对老百姓有个交代。”

在汽车智能驾驶等领域具有重要应用前景的激光雷达探测技术,就是“为老百姓做实事”的一个例子。“在雨雾等极端天气状况下,人目力所及有限,有可能因刹车不及时而发生交通事故。”复旦大学信息与工程学院教授刘克富介绍:“通过解决其中多个关键技术难题,未来无人驾驶中的激光雷达技术可以弥补人的反应的局限性。” 雷达可向数百米外的物体主动发射激光信号,通过对反射回波信号进行识别处理,以便汽车智能控制系统做出快速判断,采取避障措施,大大降低驾驶风险。

激光雷达是刘克富团队同中国科学院长春光学精密机械与物理研究所大功率半导体激光团队的合作焦点,这场光与电的“恋爱”在两年多的浇灌下开花结果。针对激光雷达技术难题,将双方光-电学科技术优势转变为成果落地,是这次合作的目标所在。

同为复旦大学信息与工程学院教授的徐丰也有类似经历。通过与中科院电子所的联合攻关,“星载新体制SAR综合环境监测技术”研发项目平稳推进,致力于提升新一代星载成像雷达获取环境信息的能力。徐丰团队负责的是新体制雷达卫星监测环境参数的机理建模与仿真。徐丰解释道:“在针对海洋环境的监测之前,需要通过相关模型先模拟海洋风、浪、流等参数,当模拟结果表明系统设计指标能达到预期目的时,才能应用于实际卫星载荷设计中。”这一项目在7月顺利通过了科技部重点研发项目中期答辩,并获评为A。

复旦大学自主研发的POLSAR-EYES新体制SAR散射成像仿真评估平台

在这些项目的推进中,徐丰体会到高校与大院大所合作的重要意义:“这些院所对国家需求非常了解,他们提出的问题都来源于国家重大战略需求,而我们则更专注于重大需求中的核心理论研究。通过合作,就能碰撞出解决实际问题的火花。”

刘克富则深感合作一定要彼此真诚、互相包容。“要明白双方的共同目标是为国家的需求攻坚克难,我们要把眼光放长远,才不会被眼前的利益所羁绊,合作才能长久。”两年来,在复旦-长光基金支持下,双方合作形成了优势互补的研发团队,共同承担了多个创新项目,共计获得经费300多万元,申请了8项专利,在权威期刊上发表了2篇文章,并在3月共同见证复旦大学与中科院长春光机所签署合作协议。在双方科研团队的指导下,激光雷达项目组研究生参加了2019年第五届中国“互联网+”大学生创新创业大赛,并获得上海赛区金奖,全国铜奖。“这些愉快的合作成果为我们后续合作带来更大的机遇,达到了互补共赢的增强效应。”

激光雷达项目组研究生在2019年第五届中国“互联网+”大学生创新创业大赛上海赛区中荣获金奖

与大院大所的合作始终是复旦大学服务国家战略的重要抓手之一。秉持合作共赢的理念,通过共同设立合作基金、建设科研共享平台、创新人才培养机制、联合承担国家级重大科技项目等形式实现资源共享,充分发挥复旦前沿研究优势及大院大所的成果转化力量,以创新成果服务国家重大需求。

在大院大所之外,复旦大学也积极开拓与企业的合作,让科技创新成果走出实验室,接轨社会需求。多个复旦团队以联合项目、技术攻关的形式,与华为公司开展合作,复旦大学计算机科学技术学院教授姜育刚团队就是其中之一。“企业能够发现亟待解决的新问题,而学校则擅长帮助他们解决问题。”姜育刚格外赞赏校企长期合作。在联合研发的过程中,复旦的理论研究和人才资源与企业技术资金、设备数据碰撞出火花,取得了“1+1>2”的创新效果。“在新工科建设中,成果落地应用非常重要。学校和企业一起去发现问题、解决问题,服务社会经济发展,是很有意义的事。”

2019年9月,复旦大学与华为技术有限公司签署战略合作协议

在国家发展进程中,地方产业升级转型是关键一环。在粤港澳大湾区,复旦的创新基因焕发出新的活力。

启动复旦基地项目15项,注册孵化企业8家,设立6个公共服务创新平台,申请发明专利40余项,入驻企业产值500万元……6月正式入驻办公以来,珠海复旦创新研究院越发忙得热火朝天。这一由珠海市人民政府与复旦大学共建的新型研发机构,按照“双基地”模式建设:“复旦基地”负责以人才科研资源对接当地发展需求,“珠海基地”则负责以产业化资助和政策扶持落实研发成果转化。2019年,研究院还被评为广东省新型研发机构。

珠海复旦创新研究院

“珠海是改革开放的前沿阵地。”材料科学系教授、珠海复旦创新研究院副院长顾广新深知自己所面临的机遇和应当承担的使命。其团队开创的“高性能环保表面处理材料”项目便是首批得到珠海复旦联合创新院资助的项目之一。该项目面向“绿色中国”战略,力求以绿色环保、高质高效的涂料满足目前国内新工业涂料市场需求,提高制造业生产与环境保护的相容性,实现制造业升级转型。同时,武利民、顾广新团队根据相似相溶原理,使显色涂层接触燃油后能够迅速润湿并快速溶解,同时保证显色涂层在飞机试飞过程中不受急速温变、高速气流、水分等环境变化影响。已完成C919一架机的8架次试飞工作,满足了C919的飞机露油预警监测的要求,解决了传统的方法仅能检测静态下飞机燃油泄漏情况,无法记录飞行过程中的燃油泄漏的问题。

同样是粤港澳大湾区重要创新节点的中山市,也于10月与复旦以“双基地”模式合作创建了中山复旦联合创新中心。该中心目前聚焦于光电技术行业,力求在占据全国照明行业近1/3产值的中山市,将复旦的相关科研成果进行产业转化。

“孵化和产业化是两个链接的相辅相成的过程。优秀的孵化成果走向企业,成功的企业反哺研究,实现良性循环。” 中山复旦联合创新中心主任石艺尉表示,通过校地合作,高校的研究成果将不再“束之高阁”,而是能在适合的土壤“落地生根”,并最终结出服务国家与地方发展之果。

面向“健康中国”战略,复旦在生命医学研究领域持续发力。

作为心血管病、肝脏肿瘤等慢性病的主要诊疗手段之一,介入医疗一直是复旦大学附属中山医院的强项所在。2019年,复旦大学获批的国家级科研平台——放射与治疗国家临床医学研究中心落地中山医院,这也是全国唯一一家在放射与治疗临床专科介入治疗技术领域获批的国家临床医学研究中心。

放射与治疗国家临床医学研究中心落地复旦大学附属中山医院

以临床应用为导向,技术推广和创新成果转化为目标,该中心将针对心血管病、主动脉及外周血管病及肝脏肿瘤等严重危害我国人民生命健康的重大慢病开展系统研究,通过医、生、理、工多学科交叉、基础与临床研究结合,建设高质量生物样本库,开展高水平临床研究,构建源于中国临床证据及原创成果的,世界领先的介入放射学科群。

“融合”有魂:发挥综合优势 学科交叉激发创新活力

“学科融合可以达到更高的境界。”在复旦大学2019年的11位“杰青”之一、生命科学学院教授鲁伯埙看来,学科交叉使得研究者既能利用其他领域的知识、技术,为本学科难题的解决找到可行方法,又能在灵感碰撞下提出新的科学问题。

“我想做的是对疾病治疗有根本性帮助的研究。”鲁伯埙坦言。从事神经变性病研究超过10年时间后,他深知,此类疾病发病机制复杂,依靠单一学科无法找到根本性治疗方法。“复旦开放的学术氛围对我的研究助益很大,合作者们都以科学发现为重,全心合作,很少计较个人得失。”

《自然》杂志评选出的2019年度十大杰出论文之一《HTT-LC3连接化合物对变异HTT蛋白的等位基因选择性降低》,就是由鲁伯埙课题组与生命科学学院丁澦课题组、信息科学与工程学院费义艳课题组等多学科团队合作完成的。这项研究开创性地提出基于自噬小体绑定化合物的药物研发原创概念,并巧妙地通过基于化合物芯片和前沿光学方法的筛选,发现了特异性降低亨廷顿病致病蛋白的小分子化合物,为亨廷顿病的临床治疗带来新曙光。

“特别感激我们的国家和这个时代,让我们这些青年科技工作者有机会做出一些国际认可的原创工作。”鲁伯埙感慨:“这次入选是对我国科研水平的国际认可,也是对我和合作者的鞭策,激励我们投入到进一步的科学探索和应用研究中。”目前,课题组正在运用相似的研究概念和方法,进行其它致病蛋白的筛选,同时致力于结构生物学研究,探索化合物与自噬蛋白以及致病蛋白结合的模式,为进一步优化化合物和拓展化合物的用途奠定基础。

说起《自然》这样的国际顶级科学期刊,鲜有人会将其同中国语言学联系起来。而就在4月,复旦大学的科研团队实现了突破。金力院士团队综合运用语言学和遗传学等多学科交叉的数据材料和分析方法,揭示了世界第二大语系汉藏语系起源及分化过程。该研究为探寻中华文明的起源和发展历程,了解中国及周边邻国在语言和文化上的交流提供了重要依据,为认识东亚人群迁徙历史提供了重要启示。这是中国语言学研究领域首次在《自然》杂志发表科研成果,见证学科交叉的无限可能。

在类脑智能科学与技术研究院,不难见到各领域顶尖科学家的身影。以计算生物学为主,广纳各领域英才,带来数学、物理学、计算机科学、医学、心理学甚至哲学等多学科交流碰撞,类脑智能研究创新活力迸发。 

2019年,由类脑智能科学与技术研究院院长冯建峰、复旦大学特聘教授通信技术专家郑奇宝、信息科学与工程学院院长郑立荣、数学科学学院教授卢文联、计算机科学技术学院副院长薛向阳共同领衔,20多位多学科、多领域、多团队专家组成的联合攻关团队,完成了全球首个全脑计算平台系统硬件调通和整体设计。目前,研究院正在与环境科学与工程系合作,探索雾霾进入人脑后的形态和影响,并与药学院合作,开发治疗脑炎症的新药物。

复旦大学工程与应用技术研究院青年研究员齐立哲是一位专业的“产学研牵线人”。在他看来,新工科建设离不开不同学科间的深度融合,以及“需产研教融合”。“这种融合的促成需要一位负责人对各个环节进行把控,既能分解,又能连接。”在2019年课题组同广东季华实验室联合申请的鞋服智能柔性制造技术与装备研究项目中,齐立哲就作为总负责人,将不同领域的问题分解给相关学科的团队分别攻克:计算机与光学工程学科团队解决智能检测问题,机械工程学科团队解决装备结构设计问题,甚至引入环境工程学科团队、社会学领域的团队分别解决鞋服制造过程中的污染及技术推广中可能产生的社会问题。学科交叉合作,问题被有针对性地高效解决,项目稳步推进,不同学科自身也在实践中迸发创新活力。

研制一条模块化可重构机器人柔性制鞋生产线

集成电路领域的研究,也离不开电子科学技术、材料学、物理学等多学科的助力。比如“异质集成”技术的一个层次是材料集成,集成电路里的芯片基本上都是用硅来做,但由于材料本身特性的限制,如载流子迁移率、禁带宽度等问题,能否找到更合适的新材料用于射频和高压等芯片,需要材料学的帮助。同时,依托国家集成电路产教融合创新平台,不同学科的知识能够实现融合,成体系、系统化地传授给科研和行业人才,加强集成电路紧缺人才的培养与工程实践,立足上海、辐射长三角,建成后具备每年为2000人次提供实训手段的能力。

“科研融合创新的核心是围绕重大科学问题、聚焦前沿核心技术进行创新,组建集中攻关平台进而形成协同合力。学科融合创新是一个从量变到质变的过程,不仅强调‘破’,更重在‘立’。”正如许宁生所说,张江复旦国际创新中心就是一个科研融合创新的重要载体,在人类表型组、微纳电子与量子、脑与类脑智能等研究领域汇集不同学科的顶尖人才,共同研究解决问题。复旦大学的科技工作者们正立足于基础学科和前沿学科,努力把握学科前沿发展趋势,促进新兴学科的形成,力争引领学科领域创新。

制图:张亦驰实习编辑:责任编辑:李沁园

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