激光智能制造 打造幸福生活

雷仕湛 薛慧彬 沈力 閆海生

激光智能制造是激光制造技術與人工智能技術相結合的新型制造技術。激光制造技術是先進的制造技術，同樣的，人工智能也是先進制造技術，它們的融合，錦上添花，成就了一門新型先進制造技術，進一步大幅度提高了工業生產效率，產品質量，產品多樣性、適用性以及生產的環保性，多、快、好、省地制造出更多種類產品，體現了未來制造業向智能化、綠色化的發展趨勢。

激光智能制造技術升級改造了傳統加工制造技術，同時又誕生了一系列顛覆性的新型制造技術，實現高質量、高速度工業制造，在提高生產制造能力的同時，又降低了制造成本。

激光智能工業制造內容豐富，這里介紹其中的兩個方面：激光智能加工和激光增材制造。

激光智能加工

工業生產制造的一個重要工序是需要對材料按設計要求，對使用的材料進行加工，比如打孔、切割、焊接、表面處理等，利用激光束做加工工具，在智能制造系統的配合下進行加工，具有如下一些特點：

加工精度高

激光束是相干性很好的光束，利用光學系統可以把它會聚成直徑微米量級的光束；同時，在智能控制系統的驅動下，加工制造的產品精度很高，范圍在幾微米以內；一致性也非常好，彼此的尺寸差別在幾微米以內。

加工適應性強

適用于加工的材料廣泛，固態材料、液態材料、金屬材料、非金屬材料、半導體材料、高強度材料、易碎裂材料均適合用于加工制造。同時，激光智能制造系統屬于柔性加工制造，在它的整個制造加工區可以自由運動，能適應各種加工條件。其次，激光束加工路徑是由程序控制的，如果加工對象發生變化，只需修改程序，實施方便。此外，一臺制造加工設備配套不同的硬件和軟件，就具有了多種制造加工功能。

可優化選擇加工工藝

影響加工質量的工作參數有很多：①材料參數，如被加工材料性質和材料厚度等；②激光參數，如激光的平均功率、脈沖激光參數、激光焦距、離焦量（焦點位置）等；③工藝參數，如激光束掃描速度等。這些工作參數中有些是獨立的，有些則要由其他參數決定，智能制造系統會根據對產品的要求作出選擇，并在執行加工過程的同時做檢測，實時調整加工工藝，保證了加工的制件質量。

可靈活加工大尺寸工件

在激光智能加工系統中，通過移動激光加工頭，可以加工制造大尺寸工件，而且能夠獲得很好的工件質量。如集成電路制造需要的最基本材料——晶圓，其制造過程通常涉及晶棒制造、切片、研磨、刻蝕、拋光等多個工序，現在利用激光智能制造技術制造的晶圓，能夠滿足集成電路制造不斷發展的需要。

激光增材制造

它又稱為激光3D快速成型，是基于計算機輔助設計的數字模型，通過逐層增加材料成型，在無需使用任何硬質模具的情況下，直接從計算機三維設計制造出實體零件或原型。與傳統的制造技術相比，可省去大量復雜繁瑣的產品制造流程（包括模型制作、模具制作、不同結構的拆分制作與組裝等）。這不僅節省制造材料，降低了單個產品的制造成本，而且制作過程簡單快捷。現在，這種制造技術已經廣泛應用于航空、航天、能源、動力、醫學等領域。尤其是在航空、航天等領域，它們對裝備的輕質化、可靠性的要求不斷提高，制造的構件使用鈦合金、高溫合金和超高強度鋼等高強度合金的比例大幅度增加， 采用傳統熱加工和機械加工制造變得非常困難，此時激光增材制造便是最優的選擇。

與傳統的制造相比，激光增材制造有諸多的優越性：

制造速度快

因為它不需要傳統的專業生產設備或事先制備模具等，擺脫了傳統制造需要的毛坯制造、刀具準備以及粗加工和精加工等制造過程，從“電子模型”直接制造出所需要的產品，極大地縮短了生產制造周期。當制造的制件形狀、結構改變時，也無需重新設計制造工藝、添置新設備和專用工具，只需準備相應的CAD模型即可，這為新產品開發建立了新模式，從CAD設計到完成原型制作通常只需幾個小時到幾十個小時，加工制造可節約70%以上的時間。不僅縮短了新產品開發周期，而且降低了開發費用，使企業在激烈的市場競爭中占有先機。

制造適應性強

這種制造工藝與制件的復雜程度無關，既不受加工工具的限制，也不受制作材料的限制，可以方便地制造各種材料（金屬和非金屬、樹脂類、塑料類、紙類、石蠟類、復合材料以及陶瓷等）的制件。對于一些結構復雜的制件，傳統的制造技術工藝繁雜、制造難度大；而對于激光增材制造來說，無論制件結構多么復雜，都可以輕松地制造出來，也不再受制造設備能力的禁錮。

節約制造材料

傳統制造實際上是一個去除材料的過程，制造過程中浪費了不少材料。激光增材制造則是根據已知的三維數據，通過制造設備逐層添加材料制造，而不是在去除材料做制造，同時還節省了制造模具的材料。

激光增材制造技術有如此多的優點，已經被許多工業生產制造領域廣泛采用。只要能夠提供制件設計模型，激光增材制造技術就能制造出來，大大豐富了我們的物質生活。

2016年，習近平總書記在全國衛生與健康大會上提出“大健康”的理念，成為新時代我國實施“健康中國”戰略的重要指導，把保障人民健康放在優先發展的戰略位置。實施大健康也將產生很大經濟效益，有關資料顯示，我國2030年大健康產業規模將達16萬億元，市場正在迎來前所未有的發展契機。

制造個性化醫療器件

使用個性化醫療器件能夠大大提升醫療效果，患者可以又快又好地恢復身體健康。

制造個性化手術刀

手術刀是外科醫生進行外科手術治療時常用的工具，激光智能制造能夠個性化定制，制造復雜結構的手術刀。在醫療領域，無論是被施手術的患者還是施行手術的醫生，他們都存在個體差異性。通過有關醫療成像技術獲取病人和醫生的相關人體數據，激光智能制造便可制造出個性化手術刀，讓它既符合醫生的使用習慣，又有利于提升對特定病人做手術的能力，這顯然有利于提高手術成功率和手術質量。例如，對于眼科手術來說，手術刀的刀頭夾角是關鍵參數，眼科醫生希望能調整其角度，適合自己使用。現在，根據醫生提出的個性化需求，激光智能制造可以很快把所需手術刀給制造出來，而且制造過程快捷，幾乎立等可取。

制作個性化人體內植入器件

由創傷、腫瘤、炎癥、退變等疾病引起的骨、軟骨組織缺損、畸形等，常需要假體或者骨移植進行修復重建。比如復雜性創傷通常會造成局部骨質缺損及周圍粉碎性骨折，治療時常需要人工髖關節（髖臼杯）或人工椎體、椎間融合器、硬腦（脊）膜補片等植入件，以往這些人體植入器件通常是工廠按流程批量生產的通用品，難以滿足不同患者的需求。從醫學角度來看，不同患者的解剖學結構以及其臨床要求不盡相同，而批量生產的這些器件一般都是相同的形狀和尺寸。 現在，利用激光智能制造就能夠為每位患者量體裁衣，制作個性化的體內植入器件，它具有很好的解剖學適配性，能讓其精準吻合缺損處，使組織接觸界面緊密，可促進正常骨細胞的黏附和增殖，獲得良好治療效果；同時也能減少患者的臥床時間。

制作個性化康復器具

根據個性化需求制作的假肢、矯形器和助聽器等醫療康復器械，可獲得更好的康復效果。傳統制造方法制備的康復器具很難滿足患者個體化的需求，既影響舒適度，也影響康復效果。激光智能制造可定制適合不同年齡、不同身高人群個性化的康復器，尤其是對于兒童患者，因其還在長身體，需要頻繁更換康復器具。現在，激光智能制造技術制作的矯形器和假肢，能精確地復制患者踝關節和腳部解剖學結構，從而獲得更好的復康效果。

制作個性化人體器官

人體器官包括眼、耳、鼻、舌等感覺器官；心、肝、肺、腎等內臟器官（又稱為實體器官）；氣管、腸、膀胱等中空器官；以及皮膚、骨骼、肌肉等結構（或支撐）器官。人體器官制造是千百年來人類的一大夢想，現在，激光智能制造可以實現人類的這個夢想。

制作人體器官模型

做人體內器官外科手術（如肝臟腫瘤外科手術）前，充分了解患者組織結構及血管分布，是制訂手術方案的基礎。根據人體的器官成像資料，利用激光智能制造技術制作人體內的這些器官模型，外科醫生就可以比較直觀地了解患者的個性化解剖學特征，制訂的手術方案便可以實現個性化、精準化，提升了手術成功率。例如，腎上腺是人體重要的內分泌器官，其作用很重要，而腎上腺疾病手術治療時往往會出現破壞腎上腺組織的情況，這會給患者的健康帶來不良影響。現在利用激光智能制造技術制作的器官模型，方便醫生準確地了解該手術的復雜性和困難，進而設計合適的手術方案，既有助于降低手術難度，又能減少因缺血帶來的腎功能損傷，還可明顯減少手術后內分泌改變帶來的并發癥。

制作人體移植器官

由于疾病、先天畸形和交通事故等原因造成人體器官損傷以及終末期重要生命器官衰竭的患者， 進行器官移植是最有效的治療方法。但由于人體器官供體不足以及人體的排異反應，又給此項醫學技術造成嚴重障礙。全球人體器官供應數量是十分有限的，據報道，中國每年因終末期器官衰竭而需要器官移植的人數大約有150萬，但實際只有不到1萬人能夠獲得可供移植的器官，供求比例1∶150，許多病人因為等不到合適的移植器官而死亡。又比如，每年需要做腎移植手術的患者高達30萬，而能夠成功進行腎移植的患者則只有3000人，大多數患者在等待配體的過程中因病情惡化而離世。在世界上其他國家也有類似情況。現在，激光智能制造擺脫了人體器官供體缺乏的困境，患者不必再苦等，可隨時訂制；同時又不會產生傳統器官移植帶來的免疫排斥反應問題，這無疑給那些需要做器官移植的患者帶來了福音。

激光智能制造技術制作出來的人體器官，也能夠為藥物篩選提供新途徑，有助于解決新藥制造周期長、成本高和效率低的問題。在新藥開發研制過程中，往往由于缺乏準確的藥物篩選模型，新藥研發制造一直是一個高成本、低效率和高風險的領域。國際上單個創新藥物的開發成本普遍超過10億美元，而且耗時長（一般需要10 年左右）。從理論上來講，進行藥物篩選最佳的方法是用人體做試驗，但在法律上是不允許的。

我們生活的地球變得越來越不太平。大事件如全球氣候異常變化，氣候變暖，極端氣候事件頻發；又如小行星很可能碰撞地球。地球曾經發生過5次全球生物大滅絕，主要也是由這兩件事引起的。有科學家預言第6次全球生物大滅絕已經在路上，再過200年左右地球上的人類將可能滅亡。那么我們能否逃過這次劫難呢？

全球氣候異常變化

全球氣候異常，已經是不爭的事實。首先，氣候變暖，氣溫繼續上升，根據世界氣象組織發布的《2022年全球氣候狀況報告》，2022年全球平均溫度比1850—1900年的平均值高出了約1.15攝氏度。我國近一個世紀以來年平均氣溫也明顯上升，變暖幅度約為1.3攝氏度，增溫速率為每10年0.25攝氏度。

由于全球氣候變暖將導致大陸冰川消融和海水體積膨脹，讓海平面升高。研究發現，1961—2016年間，冰川融化超過9625億噸冰，導致全球海平面在此期間上升了27毫米，上升程度超過預期。海平面上升將淹沒大片陸地，讓人類失去很多耕地和居住地。科學家指出，隨著全球氣候繼續變暖，預計到2100年，在地中海周邊的49個城市和古跡將會從地球上消失。海平面上升也會直接威脅部分海島國家居民的生存。對于人口多數集中在沿海或河岸下游地區的亞洲國家以及地勢低的國家，也將面臨被海水淹沒的危險。

隨著全球氣溫升高，極端氣候也頻頻出現，如在某些地區出現特大干旱，或者持續性強降水，或者超強臺風、強寒潮，或者高溫熱浪等。亞洲各國、英國、莫桑比克、蘇丹和烏拉圭等地區，都遭遇了歷史上罕見的高溫、嚴寒、暴風雨、暴風雪和洪水泛濫等事件。今年以來，全球范圍便已經發生多起極端氣象災害：2月份的熱帶氣旋“加布里埃爾”使新西蘭進入國家緊急狀態。一季度美國加利福尼亞州南部暴風雪肆虐，導致當地大范圍停電和道路封閉；巴西圣保羅州的極端強降雨和洪水令數千人無家可歸。澳大利亞遭受極端高溫，酷暑難忍，阿德萊德氣溫達到46.6攝氏度，打破80年來的紀錄；懷阿拉48.5攝氏度、利溪46.9攝氏度、奧古斯塔港49.1攝氏度，全部打破歷史最高氣溫紀錄。

氣候異常變化對生物的影響也很大，諸如加劇病蟲害，生物多樣性減少，植物、植被、森林、草原、海洋等生態發生變化，農業、畜牧業和漁業生產受損失，更為嚴重的是引發傳染病和流行病，影響人類健康，降低人體免疫力。

引起全球氣候異常變化的原因有多方面，其中最主要的原因之一是地球運動狀態發生變化，如地球自轉運動速度變化、極移變化等，利用激光智能制造技術制造的探測系統如衛星激光測距，便可以準確地測定地球自轉速度變化，測量精度和分辨率都很高，日長測量的精度已經超過1/10 000秒，相當于一日的10億分之一，測量結果顯示，當前地球自轉周期變慢率為每100年1.4毫秒。有鑒于此，國際社會在1987年成立了地球自轉服務組織IERS（International Earth Rotation Service），并決定自1988年1月1日開始采用人衛激光測距技術等進行地球自轉參數服務工作。

小行星撞擊地球

這是威脅性更大的天災。美國《發現》雜志曾經評出“21世紀威脅人類生存的20大危險”，其中小行星撞擊地球位于首位；在聯合國認定的世界四大突發災難中，小行星撞擊地球也位居第一。之所以這樣認為，是因為小行星撞擊地球時會產生巨大的撞擊能量，一顆直徑1千米的小行星撞擊地球時可產生8×106萬噸當量（1萬噸當量=104噸TNT炸藥的爆炸能量）的撞擊能量；一顆直徑100米量級的小行星撞擊地球可產生8000萬噸當量的撞擊能量；即便直徑為30米的小行星撞擊地球時，產生的能量亦可達200萬噸當量。相比之下，1945年在廣島投下的原子彈爆炸產生的能量也僅約為2萬噸當量。小行星撞擊地球釋放出來如此巨大的能量，足以給地球造成滅頂之災。

科學家在使用亞爾科夫斯基效應對小行星軌道進行研究后發現，許多小行星對地球產生潛在威脅，根據科學家的監測結果，有7顆小行星在不久的將來可能與地球碰撞，其中又以貝努（Bennu）小行星的威脅最大，這顆小行星的赤道直徑約為500米，重量為7900萬噸，預計在2135年9月25日大概率撞上地球，那時地球可能會在數量大約相當于8萬枚廣島原子彈爆炸釋放的能量下毀滅。

激光智能制造可以制造各種用于監測小行星的探測系統，對近地小行星進行“人口”普查，掌握它們的運動軌道、物理特性以及尺寸等，并持續監測其可能會發生的軌道變化，對可能發生潛在威脅撞擊地球的小行星作出預警，并設法規避撞擊事件。

現在，激光智能制造讓科學家找到不少辦法防御小行星撞擊地球。如用某種外力施加于小行星，使其運行軌道發生改變，或者直接摧毀它，便是避免小行星撞擊地球的辦法之一。當光束投射到物體表面時會對其產生作用力，這就是通常說的光壓力。利用激光智能制造建造的大型激光器系統，能夠輸出強度比太陽光強億倍的光束，能夠對被照射的物體產生強大的作用力，當把這種強激光束對準小行星照射時，能夠推動它離開原來的飛行軌道，從而避免與地球發生碰撞。又如利用激光智能制造技術制造的航天器撞擊小行星并把它擊碎，也是防御小行星撞擊地球的有效手段之一。科學家作過分析，這種航天器碰撞小行星的成功率很高。

[1]周楊. 習近平“大健康”理念的實踐路徑研究. 天中學刊， 2023， 38（1）： 9-16.

[2]雷仕湛， 閆海生， 薛慧彬， 等. 激光與地球. 上海： 上海科學技術出版社， 2020.

[3]雷仕湛， 屈煒. 地球危機——中國的應對. 上海： 復旦大學出版社，2021.

[4]雷仕湛， 陳剛， 邱秋林. 光學精準醫療. 上海： 上海科學技術出版社， 2023.

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