天津大學的三個創新場景（科技視點）

聚焦國家重大戰略需求，深化教學科研改革，加強基礎研究和科技攻關——

天津大學的三個創新場景（科技視點）

天津大學合成生物技術全國重點實驗室裏，元英進（中）正在與學生們討論。

項目式課程中，學生們進行“意念控制小球”實驗。

大型地震工程模擬研究設施開展水下振動台懸索橋試驗。以上圖片均為天津大學提供

在天津大學建校130週年之際，習近平總書記給天津大學全體師生回信強調：“新起點上，希望你們堅持以新時代中國特色社會主義思想為指導，聚焦國家重大戰略需求，深化教學科研改革，加強基礎研究和科技攻關，提高人才培養質量，更好服務經濟社會發展，為建設教育強國科技強國、推進中國式現代化作出新的貢獻。”

近年來，天津大學錨定教育強國、科技強國建設目標，堅定走好人才自主培養和科技自立自強之路，在科研攻關、學科建設、人才培養方面不斷取得新突破。

場景一：

“問題還是從國家需求、行業發展中來”

來到位於天津大學的國家大型地震工程模擬研究設施（以下簡稱“地震大裝置”），最直觀的感受是什麼都很“大”：31米的室內淨高，兩台吊重500噸的雙梁橋式起重機橫跨42米，大型地震模擬振動台的“基座”深埋於18米深地下，枱面載重能力抵得上20多輛卡車。長95米、寬69米的水池內，世界上唯一雙台地震、波浪、水流聯合模擬試驗裝置可以在3米深的水下工作……

項目成員、天津大學國家地震工程科學中心副研究員劉銘劼正在為年底前進行的試驗做準備。“像這樣的試驗，準備週期是以‘星期’為單位計算的。”劉銘劼解釋，之所以週期長，是因為地震大裝置承載的任務很“重”。比如，模擬振動台就可以讓一棟7層樓高的建築經歷一場“地震”。

為什麼要“造地震”？劉銘劼介紹，地震工程的研究方法主要包括理論分析、試驗研究、數值仿真等，但地震真正發生時，往往會有意想不到的情況。因此，振動模擬即“人造地震”，是目前研究工程結構抗震性能最直接有效的試驗方法。

然而，此前國內外已有的地震模擬設施，由於規模較小或功能單一，難以滿足公共安全與工程建設重大需求。

天津大學建設如此大規模的裝置，在全世界都沒有先例。批覆立項後，一系列技術挑戰擺在了團隊面前：幾十套液壓作動器要解決控制問題、承載試件台體要滿足剛度強度要求、加載頻率受限、流固耦合場景複雜……“我們的大科學裝置要解決既有設施無法解決的問題，一定要有突破性的技術。”團隊成員楊政龍説。

比如，一個物體要實現大幅度運動，它的頻率就不會很高，這是物理學上的限制。為了讓振動台同時具備兩項能力，團隊在全球首創了“雙六自由度疊加複合振動台系統”。“我們設想讓這套系統上面專門‘跑’高頻，下面專門‘跑’長行程，然後兩個‘疊加’。”技術負責人吳昊説。

團隊心裏也沒底。這樣的“疊加”，難度不是“加法”，而是“乘法”。劉銘劼回憶：“硬件我們需要找廠家聯合攻關，算法代碼我們要從頭寫。正式建設前，還要在小一點的振動台上反覆試驗。”

那幾年，團隊成員們經常起早貪黑，“泡”在實驗室裏寫代碼，在廠家車間盯進度，吃住在建設現場，都是常事。他們自主研發的氣枕式防水結構，解決了水下振動台密封難題；多項關鍵技術沒有成熟配套，均由團隊自主完成“最後10%”優化……

從2019年開工到2024年投用，項目團隊用5年左右的時間，實現了對國外同類型設施的超越，成為能復現幾乎所有地震場景的大科學裝置。

攻關歷程也讓劉銘劼對“有組織科研”有了更深層次的理解。項目團隊涵蓋天津大學水利工程、土木工程、船舶與海洋工程及自動化、通信、機械、計算機、材料、管理等多個學科，5年多時間裏，每週一次的工作推動會幾乎雷打不動。

大科學裝置要建好，更要用好。投入運行以來，項目團隊積極拓展應用場景，從工程領域向工業產品抗震測試拓展，自身角色也在從“採購方”向“服務提供方”轉變。

“建設這樣的大科學裝置，是有各種節點的，可以‘拆解任務、倒排工期’。可是到了運行階段，科學研究的難點、行業痛點在哪裏，我們還要主動深挖解決。問題還是從國家需求、行業發展中來。”劉銘劼説。

場景二：

“往往更加看重學生提出問題、解決問題的能力”

“神經信號織成網，意念欲把小球掌。”20名大一學生各自的“意念”穿過電路，讓風洞中的小球穩定懸浮……這是天津大學未來技術學院的腦控實驗室裏，全國首屆腦機接口專業方向的首門項目式課程中的一幕。

課堂上，每位同學都需要自主設計搭建一個完整的閉環控制系統，大家“腦洞大開”，各自完成了自己的技術“進化”，設計出來的系統也是各有所長——

劉同學設計的系統能通過外置OLED屏即時顯示腦電波的FFT頻譜；段同學的腦電採集系統擁有逼近理想仿真結果的帶通濾波和陷波性能；蔣同學的控制模塊可以讓風洞小球在±2毫米的超低誤差內懸浮……

“這樣的項目式課程，腦機接口專業方向一共開了4門，除了‘認知增強的意念小球’，還有‘生理信號無線採集系統’‘腦控機器人’‘腦機智能融合系統’。”天津大學醫學院副院長、教授楊佳佳介紹。

依託未來技術學院的跨學科平台，腦機接口專業方向聯合醫學院、智算學部、機械學院、微電子學院的師資開展項目式課程，將神經科學、工程設計、電子電路、信號處理等傳統知識模塊重組為“腦機接口全技術鏈條”知識和技能體系。

天津大學是全國新工科建設工作組組長單位。近年來，天津大學迭代升級新工科方案，構建面向未來的人才培養新範式。

“新的專業、新的教學模式，老師們也需要把大量精力投入到課程設計和指導實驗上去。”楊佳佳説，“我們往往更加看重學生提出問題、解決問題的能力。”

場景三：

“在基礎前沿領域探索，離不開良好的團隊氛圍”

走進天津大學合成生物技術全國重點實驗室，各種自動化設備不停運轉，有的走廊過道也成了不少學生的臨時工位。

今年7月，天津大學合成生物技術全國重點實驗室發佈了Mb（百萬鹼基對）尺度人類基因組的從頭合成組裝、跨物種轉移與功能重塑的最新成果。近年來，該實驗室在基因組設計合成、人工細胞構建、DNA數字信息存儲等前沿領域不斷取得突破。

如果説，基因組測序是“讀懂”基因，基因組合成就是“編寫”基因。2011年，國際科學合作項目“釀酒酵母基因組合成計劃”啓動，這是人類首次嘗試改造並從頭合成真核生物，其重要性不亞於上世紀的“人類基因組計劃”。

當時，合成生物學發展還處於早期階段，國內這方面研究基本上是空白。“合成生物學專業到底是什麼、具體怎麼做，全世界都知之甚少，因為它太前沿了。”天津大學合成生物學系主任、教授吳毅説。

中國科學院院士、天津大學教授元英進卻敏鋭察覺到該領域的潛力。在他的倡議和推動下，2012年起，天津大學開設了構建人工基因組的本科生課程。

“像造房子或者造汽車那樣，先‘燒製’出磚頭或者零件，然後再按照規則組裝起來最終形成產品，運用工程學的一些方法來研究生物學……”元英進認為，發展合成生物學既符合學科發展趨勢，也暗合學校的“工科基因”。在為人工合成染色體“添磚加瓦”的過程中，學生們也逐漸培養起科學精神、科研能力。

當時還在讀本科的吳毅，就是“釀酒酵母基因組計劃”項目團隊的一員。在合成長達770kb（千鹼基對）10號染色體的過程中，他和團隊創建了基因組缺陷靶點快速定位與精確修復方法，解決了全化學合成基因組導致細胞失活等難題。2017年，他以第一作者的身份，在《科學》上發表了項目成果。而在同期雜誌發表論文的作者中，有幾十名曾與他一同加入這門課程的本科生和研究生。

從開啓基因組重排這一全新研究領域，到發現不同尺度人工基因組重排的雜合性缺失現象；從電能細胞設計構建到創新DNA存儲方案——近年來，天津大學合成生物學領域得到長足發展。近期，元英進帶領團隊，實現了Mb尺度的高度重複人類基因組序列精準合成。國家自然科學基金委員會還對天津大學“長片段DNA高精度合成系統”項目進行了現場考察，該校在合成生物學高端科研儀器國產化方面又邁出關鍵一步。

“在基礎前沿領域探索，離不開良好的團隊氛圍。元英進老師一直強調讓學生有充分的自主權。對學生的進展他總是很關心，及時給予正向反饋，對錯誤他又十分包容。”吳毅説。

當年做釀酒酵母基因合成時，吳毅就經常冒出大膽的想法。“這個序列有問題了，大家就説你一段一段地‘修’。我提出能不能把一段好的、一段不好的拼接起來‘修’？元老師鼓勵我去試試，‘這樣你就能節省半年的時間’，後來我真的成功了。”

幾年前，還在讀博士的吳毅第一次做學術報告，就是在一個比較重要的國際學術會議上。“元老師對我説，‘從你站在講台上的那一刻起，你就具備這樣的能力了’。”

如今作為實驗室主要研究者，吳毅自己也帶學生。他説，自己看重學生是否有“發自內心的興趣”，更看重他們的心態。“從零起步到站在世界前沿，我們現在要做的更多是前人沒有做過的事，做基礎研究要有主動性，要做好‘打硬仗’的準備。”