在刚落幕的第五届“互联网+”大学生创新创业比赛中，南理工学生团队研制的多项发明拿下金奖。金奖成果中有护航大国重器的“眼睛”，也有视场是传统显微镜200倍且可同时观测10万个血细胞的“眼睛”……这些“眼睛”神器不仅突破了国外垄断，还成为了世界领先。这些科研界“国货”的崛起，为“中国智造”带去颠覆性改变。
新一代无透镜全息显微镜来了 可以同时观测10万个血细胞
观察细胞通常需要染色标记，无法同时实现大视场、高分辨观测，体积庞大、成本高昂，是当今显微镜存在的三大痛点。如何突破痛点，打破国外垄断，创造出中国人自己的新一代显微镜？在刚落幕的第五届“互联网+”大学生创新创业比赛中，南京理工大学电光学院的学生团队研制出的新一代无透镜全息显微镜——“CyteLive”，将这一愿景变为现实，并获得大赛金奖。
“CyteLive意为‘活细胞’，在医学术语中，‘cyte’是‘细胞’的意思。我们的产品Logo就如同一只求知的眼睛，别看CyteLive体积小巧，内部却蕴含诸如无透镜相位恢复与像素超分辨等多项核心关键技术。不仅可以内置于培养箱，还是目前唯一能够同时实现非染色、大视场、高分辨、长时间连续观察的显微镜产品，且售价远低于进口产品。”团队负责人、南理工电光学院博士研究生卢林芃介绍。
“细胞是无色透明的，所以通常需要将细胞染色标记再观察。然而，这将损害甚至是杀死细胞，难以实现长时间连续观测。”该团队利用定量相位成像技术，使CyteLive可以在无需对细胞进行任何染色标记的前提下，实现长达数天的连续观测，不仅细胞细节清晰可见，还能准确还原其三维影像，可谓360度全方位无死角。
再精良的显微镜头，都受到“物镜比例法则”的制约，即大视场和高分辨率两者不可兼得。据介绍，CyteLive抛弃了传统显微镜的所有光学镜头，只保留了光源和传感器，使它的体积仅有传统显微镜的0.8%，可直接放在细胞培养箱里进行活细胞箱内观察。
“去除了复杂的机械调焦装置，CyteLive通过先进的计算成像算法能把样品聚焦图像‘算’出来，借助自适应超分辨成像技术，成像分辨率可突破至像素尺寸的三分之一，没有物镜却可以实现20倍物镜的成像水平。无透镜成像技术造就了CyteLive超大的成像视场，单幅图像高达一亿像素，视场是传统显微镜的200倍，可同时观测10万个血细胞。”卢林芃告诉记者。
从机械化、自动化，到信息化、智能化，是显微镜发展的大势所趋。记者了解到，CyteLive抛弃了透镜，去除了机械调焦装置，利用先进的计算成像算法弥补了我国在“精密光学加工”和“高精度机械控制”的短板，正在自主创新的路上努力实现弯道超车。目前，该项目已应用于江苏省人民医院等多家医院。先声药业等多家知名医药公司也在该项目技术支撑下，改善了癌细胞耐药性监测过程，提高了高通量药物筛选效率。
能监控还能自动修复 南理工“焊接相机”护航大国重器
在江南造船厂内，硕大的焊接流水线上没有一名工人。焊接池上方，一个个如同砖块大小、看起来像摄像头一般的设备全程“注视”着流水线，并对焊接过程不断自我纠错、自我调整。这个“眼睛”其实是国内首创瞬态光谱成像焊接质量在线监控系统——焊接相机，它由南京理工大学9位学生研发而成，在近日落幕的第五届中国“互联网+”大学生创新创业大赛全国总决赛上，该项目斩获金奖。
说起焊接，现行的保障焊接质量的方式是焊前工艺实验和焊后检测，焊前工艺实验是对工艺参数进行枚举，并逐一尝试，这个过程非常耗时。焊后检测是在焊接完成之后使用“工业超声”等方式进行检测，检测出质量问题，只能废弃或返修，然而一旦漏检，就是重大事故。该团队的焊接相机则创造性地实现在焊接过程中进行检测并加以实时控制，护航诸多国之重器的铸造。
项目团队负责人、南理工电光学院博士生谢辉介绍，焊接过程控制的核心是对焊接熔池进行检测，熔池即熔化的金属滴落到母材上形成的池状液态区域，凝固时间只有20毫秒。也就是说，对熔池的测量与控制必须在20毫秒内完成，然而此时超过一万摄氏度的高温，成像过程中的强光、高反烟尘飞溅等干扰因素都带来了巨大挑战。团队的焊接相机以瞬态光谱成像技术为核心，突破了多元协同测量的技术瓶颈，可协同测量熔池处于熔融状态时刻的光谱/质谱、视觉/形态、温度/应力、三维/结构等多元信息，并在熔池凝固前调整工艺参数，修复焊接过程中发生的缺陷，确保装备完全成型之后零缺陷。
“一块坦克的装甲裙板，利用之前已有的焊接技术，工艺的研发周期可能长达两年。而利用焊接相机，我们可以把时间缩短到两三个月。”谢辉说，我国制造2025规划中明确提出，先进焊接必须突破初级自动化模式，避免返工和二次加工。焊接相机正实现了这一愿景、弥补了目前我国焊接技术的空白。该技术目前为国内唯一、世界领先，为制造业带去颠覆性改变。
据悉，焊接相机还能运用到从航空航天到高铁、汽车桥梁制造等一切需要焊接工艺的工业制造领域。目前除了江南造船，该项目还和神华能源等多家国内龙头企业合作，并且投入了实际运用。
2019年11月13日 《东方卫报》
