科技创新

这一客观限制不仅增加了成本

  国际首创、无电离辐射、适合孕妇和婴幼儿使用的骨超声诊疗仪;湿垃圾投进去,5小时候后就能“吐出”成品的肥料的“垃圾处理机”;无人驾驶的路面清扫车……将于9月17日开幕的第21届中国国际工业博览会上,高校展区亮点纷呈。

  骨质疏松是一种全身性骨骼疾病,在全球有超过2亿患者。由于骨质疏松极易诱发骨折,患者常常面临伤残甚至死亡的威胁。传统的骨质疏松诊断,采用双能X射线,设备庞大且具有辐射,导致骨质疏松的筛查难以推广。

  由复旦大学信息科学与工程学院、工程与应用技术研究院教授他得安团队研制的“骨超声诊疗仪”,打破了这一困境。

  作为国际上首创的采用超声背散射法的骨超声诊断系统,这款诊疗仪具有无电离辐射、安全、便携、成本低等优势,尤其适用于孕妇及新生儿等电离辐射不宜人群,以及体检机构、社区医院、康复中心、乡村医院等医疗机构。

  他得安团队对骨超声方面的研究始于2003年,经历15年的科研探索,这台集骨质诊断与治疗于一体的骨超声诊疗仪最终面世。

  传统的骨密度仪,无论是基于超声透射法还是第一到达波法,都需要使用两个超声换能器。这一客观限制不仅增加了成本,也限制了仪器能够检测的部位。例如,超声透射法要求两个超声换能器必须平行相对,因此通常只可用于测量根骨部位。

  采用超声背散射法的骨质疏松诊断仪器则不再受此限制。“仪器产生的高压电信号经过超声换能器转换为超声波,经过人体软组织和皮质骨,到达松质骨。”他得安解释其中原理:“松质骨的微结构会将超声信号背向散射回来,再由同一个超声换能器接收,转换为电信号。”

  因此,采用超声背散射法的诊断仪就能够仅用一个超声换能器测量桡骨、胫骨、腰椎等多种骨骼部位。同时,超声背散射信号中包含了松质骨的结构和材料等信息,使得该方法能够更全面地反映骨质状况。

  同时,他得安团队采用了超声编码激励的方法,在发射端采用编码激励信号,在接收端采用解码滤波器,大大提升了信号的信噪比;团队又采用了神经网络和深度学习的方法,通过在医院中采集近6000例病例,从大量的数据样本中学习出与骨密度相关性最高的特征参数,对仪器进行完善。

  他得安介绍说,低强度脉冲超声技术是一种安全、舒适、无副作用的手段,并且能够用于局部治疗。通过大量的细胞实验、300多只大鼠实验和120只新西兰兔的实验,课题组找到了最佳的超声频率、强度以及治疗时长,研制出的仪器能够给出8路超声波输出,同时治疗身体的多个部位。

  目前,骨超声诊疗仪已获8项国家专利授权,包括2项发明专利与6项实用新型专利,并获得了2019年第47届日内瓦国际发明“金奖”、2018年第20届中国国际高新技术成果交易会“优秀产品奖”、2017年教育部科学技术进步二等奖,以及2013年第25届上海市优秀发明选拔赛优秀发明金奖等奖项。

  该仪器目前已经在复旦大学附属中山医院、华山医院、儿科医院,长宁妇保医院、加拿大Alberta大学医院等5家医院试用,建立了近6000例骨质疏松诊断数据库,效果良好。“我们正在进行科研成果的转化。”他得安透露说。

  上海海洋大学食品学院副教授刘海泉团队,潜心研制的“垃圾处理机”,可以在5小时内完成从厨余垃圾变成“成品”肥料、饲料,比目前市场上处理工艺提高了6倍,且处理后产物为粉末状、有机质回收率至少在50%以上。

  2010年开始,在上海海洋大学原校长潘迎捷教授的鼓励下,赵勇、刘海泉以本科生的大创项目为基础,开始了对湿垃圾的处理研究,聚焦如何把以厨余垃圾为主的湿垃圾变成人畜无害的肥料和饲料这一课题。

  历经6个春夏秋冬,对比和试验了无数种方法后,刘海泉博士团队制造出一台自己的“垃圾处理机”。它可以在5小时内完成从厨余垃圾变成“成品”肥料、饲料的过程。发酵时间快、有机质高、污水少、活性物质高,是刘海泉团队“垃圾处理机”的特点。

  值得一提的是,刘海泉博士发明的微生物酵解系统,以高效菌群为核心、结合研发的设备,在加高的温度下加速酵解、同时将发酵时水分控制在一定的范围内,并最终以水蒸气的方式从大气中排放。相对臭气冲天的简单处理,对环境的污染已大大降低。

  “我们有信心,湿垃圾处理后产出的肥料,可以明显促进植物生长;如果做成颗粒饲料,可以喂食经济类昆虫,带动后续产业。”

  在上海交通大学闵行校区的校园内,能看到有一辆无人驾驶的清扫车正在调试运行,这是一辆由上海交通大学机械与动力工程学院王亚飞副教授团队研制的车路协同式无人驾驶清扫车。

  只见清扫车灵活地避开了多个路面障碍物,底部四个大大的刷盘不断转动,将垃圾全部扫入“肚内”,工作完成后,它还能自动将垃圾倾倒出来。

  这辆“聪明车”的有效运行,还离不开“智慧路”的帮助:传统无人驾驶一般采用卫星定位,但卫星定位有一定的局限性,车辆无法在树木茂盛的街道和高楼林立的园区等复杂场景中精确运作;王亚飞团队瞄准特定场景,以“车路协同式感知与定位”为突破口,将环境感知和信息融合技术与通讯技术深度融合,实现了“协同式车辆定位”与“协同式局部场景感知”基础理论创新和关键技术突破,让无人车变“聪明”的同时,也给道路赋予了“智慧”,两方协同,在复杂场景中也能准确运作。

  王亚飞团队研发的无人驾驶清扫车具备道路清扫、垃圾收集、洒水和垃圾倾倒的功能,可代替环卫工人的重复劳动,而且具备超高的清扫效率。这一成果正在特定路线的园区、矿区和港区等场景的无人驾驶系统中得到应用。

  为突破传统卫星定位和局部场景感知的局限性,课题组开发了基于主动车路协同与被动车路协同的冗余式定位技术,这种冗余式定位技术可以有效提高不同区域内的定位准确性和稳定性。其中,被动车路协同定位像一双“眼睛”一样,可以帮助扫地车判断自身的方位,而主动车路协同则给道路赋予了“智慧”, “智慧路”可以精确地告知车辆方位。研究团队将上述定位方法和技术赋能于无人清扫车,使其可以应用于各种复杂场景。

  目前,研究团队搭建了虚拟仿真平台、数据采集与分析平台、无人驾驶车辆平台等完善的实验条件,与十余家知名企业建立了长期的“产、学、研”合作关系。多传感器信息融合、协同式定位、多车协同控制等核心技术正在应用于无人港口、无人园区和无人矿山等特定场景。

  其中,协同式定位与局部场景感知技术在无人清扫车领域的应用,在一定程度上会对无人驾驶清扫车在特定线路或园区的快速安全落地起到保障作用,并促进协同式定位和感知技术的发展及其在无人驾驶领域的应用。

  今年的工博会高校展区的上大展区,将展示各种机器人装备。其中,iReGo助行训练机器人2.0,是上海大学机器人研发团队联合华山医院,历经四代机器人样机迭代,最新研制具有自主知识产权的小型智能助行康复机器人。

  该机器人具有小型化、低成本、智能化、多功能等优势,可有效提升社区医院、养老康复中心及家庭的康复治疗手段,推动康复工程高技术产业发展。

  而新型混联下肢外骨骼,则是一种可穿戴的人机一体化机械装置,可重建和增强穿戴者的下肢运动能力。该装置不仅便于拆装和穿戴,同时还在人体可运动范围内具有可调节性,作为以人为中心的人机协同系统,在助老助残、医疗康复和军事救灾等领域具有广泛的应用前景。

  展会上,上大还将展出HybRoBo-SPM1型混联机器人,尽管这款机器人作为工业生产作业装置不能与人“亲密接触”,但其新颖的结构让它如虎添翼。

  它集成了串联与并联机构的优点,并联部分保证整体刚度,串联部分扩大可达运动范围。可配合附加轴、变位机或全向移动平台,实现扩大工作范围,适应柔性生产的目的。具体可应用于对航空用大型结构件的铣削加工及机身钻孔作业,和对车辆大型钣金件的铣削加工和去毛刺。

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