刘剑楠

邹一鸣

　　

有一群年轻人创造的激光比10个太阳更“耀眼”有一个团队为无数病人“换脸”，重塑尊严有一位中学生用化学实验施展自己的魔法
IT时报记者钱奕昀
　　5月22日，袁隆平、吴孟超院士双星陨落，举国追思。恰逢同日，主题为“百年回望崇尚科学自立自强”的上海科技节拉开序幕。国士的离去，让建党百年之际的本届科技节更多了一份科学的传承与责任。
　　好在，青年科学家们正挑起大梁，在“青春百年科技自强”2021上海科技青年说等一系列活动上，他们展现出为国奋斗的担当，拿出一个又一个响当当的科研创造成果；人们更欣喜地看到，少年科研工作者接过接力棒，《少年爱迪生》获奖选手与老一辈科学家共同点亮开幕式灯光，一位位小研究员诉说着以科学为终身奋斗目标的理想。
像10个太阳那样耀眼，他们是“最强追光者”
中科院上海光机所超强超短激光攻关青年团队
　　在2021上海科技青年说主题活动上，有一个青年科研团队获得了第25届“中国青年五四奖章（集体）”，它便是中国科学院上海光学精密机械研究所（以下简称“上海光机所”）超强超短激光攻关青年团队。
　　早在1963年，国家领导人指示：“死光（激光），要组织一批人专门研究它，要有一小批人吃了饭不做别的事，专门研究它。”1964年，上海光机所成立，是我国第一个激光专业研究所。
　　超强超短激光，是人类目前已知的最强光源，它可以创造黑洞边缘、核爆中心才能找到的极端物理条件，提供全新实验手段。当前，10拍瓦（1拍瓦=1千万亿瓦）级别的激光建设，是世界各国的兵家必争之地。
　　上海光机所超强超短激光攻关青年团队成立于2016年。仅仅一年后，上海超强超短激光实验装置（SULF）在国际上率先实现10拍瓦（1亿亿瓦）激光放大输出，打破了当时的世界纪录，被《科学》杂志评价为国际上自第一台激光器发明以来在激光脉冲功率提升方面第五大里程碑（前四项均来自美国）。2020年，世界首台10拍瓦激光实验装置（“羲和”激光装置）建成并通过验收，成为我国光子科学研究的国之重器。
　　10拍瓦超强超短激光有多强？“假如地球外面有一个非常大的透镜，可以把照射在地球上的所有太阳光聚焦在头发丝那样的大小，10拍瓦就相当于10个太阳的光强。因此，我们把装置起名为‘羲和’（中国神话中10个太阳的母亲）。”团队成员王文鹏说，“激光的外观非常短，能达到飞秒级，如果把1飞秒当作1秒来看，那1秒相当于3200万年，正是因为我们的激光能被压缩到这么小的时间尺度，因此它的光强才如此之高。”
　　研制过程中，团队打破了多项国际垄断，自主研制了国际最大口径235mm钛金石晶体，打破国外禁运的桎梏。2019年，装置输出功率进一步提升至12.9拍瓦，再次打破世界纪录。
　　运用超强超短激光可以产生高能质子数，用于癌症治疗。通常的化放疗手段会将癌细胞和健康细胞一起杀死，而质子具有“指哪打哪”的优点，超强超短激光让激光驱动的质子刀方案又向前迈了一步。
　　此外，利用超强超短激光成功产生的反物质——超快正电子源，能在材料的无损探测、激光驱动正负电子对撞机、癌症诊断等领域具有重大应用。
　　如今，团队正朝着2025年建设100拍瓦激光装置的目标而努力。只要激光强度足够高，就能在真空中产生正负电子对，相当于有了物质，具有偏振的X光进入物质会发生偏转，如果能探索偏转的角度，就能探索真空的奥秘，拓展人类的认识边界。
高能算法锁定病灶，他们为口腔肿瘤患者“换脸”
上海九院口腔颌面头颈肿瘤科刘剑楠团队
　　提起口腔医生，大家首先会想到牙医，但在牙医中，有一群“会开刀的牙医”，他们就是上海交通大学医学院附属第九人民医院口腔颌面头颈肿瘤科的刘剑楠和他的团队，一群专注于口腔肿瘤诊治的牙医。
　　口腔肿瘤是颌骨缺损的首要病因，而严重的颌骨缺损会导致颈动脉暴露、颅底暴露，甚至危及生命。然而，口腔肿瘤全球每年新发病例30万例，其中42%伴有颌骨缺损，但由于手术难度大等原因，颌骨重建比例不足10%。
　　为了帮助病人重塑颌骨、重获尊严，刘剑楠团队基于数字外科技术，进行了为期10年的产医研联合攻关。经过艰苦努力，他们建立了数字化颌骨重建体系，在智能颌骨重建新策略、功能性重建新器械、一站式数字外科新平台三方面取得了重大突破。
　　图像是数字外科的基础，颌骨重塑的第一步是采集患者面部图像数据，在将上颌骨与下颌骨、颌骨与牙齿手动分割过程中，精度差、耗时长，可重复性不佳等问题凸显。为了攻克图像分割难题，刘剑楠团队和上海交大电子信息与电气工程学院联合攻关，研发出人工智能颌骨分割全自动算法，提高了颌骨分割效率30倍。
　　分割完成后，要对颌骨内的病变进行诊断，传统方式是手术切除肿瘤送临床病理分析。是否可以进行术前的无创诊断？刘剑楠团队运用卷积神经网络算法，分析不同病理类型的病变影像特征差异，可有效预测颌骨囊肿病变类型，准确率可达90.36%。
　　在确定肿瘤切除范围后，如何精确重建缺损颌骨至关重要。通过大量临床实践，刘剑楠团队发现，人的上颌骨与下颌骨存在一定的对应关系，他们运用三维头影测量的方式，提取代表上、下颌骨外形特征的28个解剖标记点，通过机器学习，寻找标记点的空间位置关系，通过上颌骨直接计算出缺损的下颌骨，重建精度高达2mm，为跨中线的颌骨缺损修复提供了新的解决方案。
　　工欲善其事，必先利其器。为让颌骨重建手术更加精准，刘剑楠团队致力探索数字化颌骨重建新器械，研发出了带导航功能的下颌骨重建定位装置和配置装置，改变了传统下颌骨导航的注册方式，导航精度提高至1mm。同时，团队还突破了原有的进口数字化平台瓶颈，自主研发出一站式数字外科新平台。
　　在刘剑楠团队的数字化颌骨重建体系下，无数病人实现“换脸”，重塑尊严。10年前，一位整个下颌骨缺失的年轻女士完成手术，10年后，她的面部看起来已和常人无异，重新走入了社会，并有了2个健康的宝宝。“作为一个临床医生，我们最乐于分享两件事，一是自主研发的器械投入临床使用，二是治疗的病人重新回归社会，回归幸福美满的生活。”刘剑楠说。
　　不过，即便已经取得了很大成绩，但刘剑楠并不满足，他的下一个目标，是在2025年实现智能颌骨重建手术机器人系统的研发与临床应用。
做实验、拍摄视频，他向诺贝尔化学奖得主取经
上海市高境第一中学学生邹一鸣
　　在上海市第十六届青少年科技节启动仪式上，一位戴着眼镜、瘦瘦高高的少年引起了人们的注意，他就是上海市青少年科学研究院优秀小研究员、上海市高境第一中学的学生邹一鸣。
　　从一张试剂图片与化学结缘，到制作B站纪录片《化学视界》，再到对话诺贝尔化学奖得主，3年的科创经历虽不算长，但年纪轻轻的邹一鸣已展现出鸿鹄之志，走出了时代少年坚定而精彩的科创之路。
　　6年前，尚在小学的邹一鸣偶然在书店的角落里翻到一本书，便被其中一张绚丽的图片所吸引，后来才知道，这是一种叫作酚酞的酸碱指示剂，也是由此，邹一鸣知道了世上有一门叫作“化学”的学科，并深深爱上了它。
　　3年前，邹一鸣加入了上海市青少年科学研究院宝山分院，从此踏上了科研之旅。回想起3年前偶遇的酚酞，邹一鸣完成了人生中的第一项课题《生活中的酸碱指示剂》。“大象牙膏”是一个著名且有趣的化学实验，因反应剧烈，生成物体积庞大且为泡沫，很像大象所用的牙膏，因此得名。起初，邹一鸣用传统配方进行演示，却发现喷射速度慢，不够壮观。在老师的引导下，他决心做出一种效果更佳的配方以及适用于家庭的实验版本。冒着严寒，师生一次次在双休日赶到学校，也正是这次实验，更激发了他对化学实验的兴趣。
　　在年轻人聚集的哔哩哔哩视频平台，邹一鸣召集了几个同样爱好化学的同学，组成了“帕克实验室”。每一集视频的拍摄，背后可能是几十次实验的积累，以验证不同的配方。在“光致变色”实验中，大家共设计了7个变量，做了70多次实验，方才验证了事先的猜想——亚甲基蓝确实具有可逆光致变色特性。邹一鸣将其与涂料结合，尝试制备出一种以亚甲基蓝进行可逆光致变色的涂料。
　　2020年，邹一鸣有幸参加了第三届世界顶尖科学家论坛，并在“小科学家”论坛上发表演讲。在与2006年诺贝尔化学奖得主罗杰·科恩伯格的交谈中，他提问，如何确定化学反应中固体表面的具体反应过程？罗杰教授指出，可以在隔绝外界环境条件下将反应拆解成若干个基元反应再加以描述，这一打破邹一鸣科创思维的全新理念让他获益匪浅。
　　邹一鸣说，他会在科研道路上坚定不移地走下去。这位科学少年用诺贝尔的话自勉：“人生最大的快乐不在于占有什么，而在于追求什么的过程中。”