天津大学的三个创新场景（科技视点）

聚焦国家重大战略需求，深化教学科研改革，加强基础研究和科技攻关——

天津大学的三个创新场景（科技视点）

天津大学合成生物技术全国重点实验室里，元英进（中）正在与学生们讨论。

项目式课程中，学生们进行“意念控制小球”实验。

大型地震工程模拟研究设施开展水下振动台悬索桥试验。以上图片均为天津大学提供

在天津大学建校130周年之际，习近平总书记给天津大学全体师生回信强调：“新起点上，希望你们坚持以新时代中国特色社会主义思想为指导，聚焦国家重大战略需求，深化教学科研改革，加强基础研究和科技攻关，提高人才培养质量，更好服务经济社会发展，为建设教育强国科技强国、推进中国式现代化作出新的贡献。”

近年来，天津大学锚定教育强国、科技强国建设目标，坚定走好人才自主培养和科技自立自强之路，在科研攻关、学科建设、人才培养方面不断取得新突破。

场景一：

“问题还是从国家需求、行业发展中来”

来到位于天津大学的国家大型地震工程模拟研究设施（以下简称“地震大装置”），最直观的感受是什么都很“大”：31米的室内净高，两台吊重500吨的双梁桥式起重机横跨42米，大型地震模拟振动台的“基座”深埋于18米深地下，台面载重能力抵得上20多辆卡车。长95米、宽69米的水池内，世界上唯一双台地震、波浪、水流联合模拟试验装置可以在3米深的水下工作……

项目成员、天津大学国家地震工程科学中心副研究员刘铭劼正在为年底前进行的试验做准备。“像这样的试验，准备周期是以‘星期’为单位计算的。”刘铭劼解释，之所以周期长，是因为地震大装置承载的任务很“重”。比如，模拟振动台就可以让一栋7层楼高的建筑经历一场“地震”。

为什么要“造地震”？刘铭劼介绍，地震工程的研究方法主要包括理论分析、试验研究、数值仿真等，但地震真正发生时，往往会有意想不到的情况。因此，振动模拟即“人造地震”，是目前研究工程结构抗震性能最直接有效的试验方法。

然而，此前国内外已有的地震模拟设施，由于规模较小或功能单一，难以满足公共安全与工程建设重大需求。

天津大学建设如此大规模的装置，在全世界都没有先例。批复立项后，一系列技术挑战摆在了团队面前：几十套液压作动器要解决控制问题、承载试件台体要满足刚度强度要求、加载频率受限、流固耦合场景复杂……“我们的大科学装置要解决既有设施无法解决的问题，一定要有突破性的技术。”团队成员杨政龙说。

比如，一个物体要实现大幅度运动，它的频率就不会很高，这是物理学上的限制。为了让振动台同时具备两项能力，团队在全球首创了“双六自由度叠加复合振动台系统”。“我们设想让这套系统上面专门‘跑’高频，下面专门‘跑’长行程，然后两个‘叠加’。”技术负责人吴昊说。

团队心里也没底。这样的“叠加”，难度不是“加法”，而是“乘法”。刘铭劼回忆：“硬件我们需要找厂家联合攻关，算法代码我们要从头写。正式建设前，还要在小一点的振动台上反复试验。”

那几年，团队成员们经常起早贪黑，“泡”在实验室里写代码，在厂家车间盯进度，吃住在建设现场，都是常事。他们自主研发的气枕式防水结构，解决了水下振动台密封难题；多项关键技术没有成熟配套，均由团队自主完成“最后10%”优化……

从2019年开工到2024年投用，项目团队用5年左右的时间，实现了对国外同类型设施的超越，成为能复现几乎所有地震场景的大科学装置。

攻关历程也让刘铭劼对“有组织科研”有了更深层次的理解。项目团队涵盖天津大学水利工程、土木工程、船舶与海洋工程及自动化、通信、机械、计算机、材料、管理等多个学科，5年多时间里，每周一次的工作推动会几乎雷打不动。

大科学装置要建好，更要用好。投入运行以来，项目团队积极拓展应用场景，从工程领域向工业产品抗震测试拓展，自身角色也在从“采购方”向“服务提供方”转变。

“建设这样的大科学装置，是有各种节点的，可以‘拆解任务、倒排工期’。可是到了运行阶段，科学研究的难点、行业痛点在哪里，我们还要主动深挖解决。问题还是从国家需求、行业发展中来。”刘铭劼说。

场景二：

“往往更加看重学生提出问题、解决问题的能力”

“神经信号织成网，意念欲把小球掌。”20名大一学生各自的“意念”穿过电路，让风洞中的小球稳定悬浮……这是天津大学未来技术学院的脑控实验室里，全国首届脑机接口专业方向的首门项目式课程中的一幕。

课堂上，每位同学都需要自主设计搭建一个完整的闭环控制系统，大家“脑洞大开”，各自完成了自己的技术“进化”，设计出来的系统也是各有所长——

刘同学设计的系统能通过外置OLED屏实时显示脑电波的FFT频谱；段同学的脑电采集系统拥有逼近理想仿真结果的带通滤波和陷波性能；蒋同学的控制模块可以让风洞小球在±2毫米的超低误差内悬浮……

“这样的项目式课程，脑机接口专业方向一共开了4门，除了‘认知增强的意念小球’，还有‘生理信号无线采集系统’‘脑控机器人’‘脑机智能融合系统’。”天津大学医学院副院长、教授杨佳佳介绍。

依托未来技术学院的跨学科平台，脑机接口专业方向联合医学院、智算学部、机械学院、微电子学院的师资开展项目式课程，将神经科学、工程设计、电子电路、信号处理等传统知识模块重组为“脑机接口全技术链条”知识和技能体系。

天津大学是全国新工科建设工作组组长单位。近年来，天津大学迭代升级新工科方案，构建面向未来的人才培养新范式。

“新的专业、新的教学模式，老师们也需要把大量精力投入到课程设计和指导实验上去。”杨佳佳说，“我们往往更加看重学生提出问题、解决问题的能力。”

场景三：

“在基础前沿领域探索，离不开良好的团队氛围”

走进天津大学合成生物技术全国重点实验室，各种自动化设备不停运转，有的走廊过道也成了不少学生的临时工位。

今年7月，天津大学合成生物技术全国重点实验室发布了Mb（百万碱基对）尺度人类基因组的从头合成组装、跨物种转移与功能重塑的最新成果。近年来，该实验室在基因组设计合成、人工细胞构建、DNA数字信息存储等前沿领域不断取得突破。

如果说，基因组测序是“读懂”基因，基因组合成就是“编写”基因。2011年，国际科学合作项目“酿酒酵母基因组合成计划”启动，这是人类首次尝试改造并从头合成真核生物，其重要性不亚于上世纪的“人类基因组计划”。

当时，合成生物学发展还处于早期阶段，国内这方面研究基本上是空白。“合成生物学专业到底是什么、具体怎么做，全世界都知之甚少，因为它太前沿了。”天津大学合成生物学系主任、教授吴毅说。

中国科学院院士、天津大学教授元英进却敏锐察觉到该领域的潜力。在他的倡议和推动下，2012年起，天津大学开设了构建人工基因组的本科生课程。

“像造房子或者造汽车那样，先‘烧制’出砖头或者零件，然后再按照规则组装起来最终形成产品，运用工程学的一些方法来研究生物学……”元英进认为，发展合成生物学既符合学科发展趋势，也暗合学校的“工科基因”。在为人工合成染色体“添砖加瓦”的过程中，学生们也逐渐培养起科学精神、科研能力。

当时还在读本科的吴毅，就是“酿酒酵母基因组计划”项目团队的一员。在合成长达770kb（千碱基对）10号染色体的过程中，他和团队创建了基因组缺陷靶点快速定位与精确修复方法，解决了全化学合成基因组导致细胞失活等难题。2017年，他以第一作者的身份，在《科学》上发表了项目成果。而在同期杂志发表论文的作者中，有几十名曾与他一同加入这门课程的本科生和研究生。

从开启基因组重排这一全新研究领域，到发现不同尺度人工基因组重排的杂合性缺失现象；从电能细胞设计构建到创新DNA存储方案——近年来，天津大学合成生物学领域得到长足发展。近期，元英进带领团队，实现了Mb尺度的高度重复人类基因组序列精准合成。国家自然科学基金委员会还对天津大学“长片段DNA高精度合成系统”项目进行了现场考察，该校在合成生物学高端科研仪器国产化方面又迈出关键一步。

“在基础前沿领域探索，离不开良好的团队氛围。元英进老师一直强调让学生有充分的自主权。对学生的进展他总是很关心，及时给予正向反馈，对错误他又十分包容。”吴毅说。

当年做酿酒酵母基因合成时，吴毅就经常冒出大胆的想法。“这个序列有问题了，大家就说你一段一段地‘修’。我提出能不能把一段好的、一段不好的拼接起来‘修’？元老师鼓励我去试试，‘这样你就能节省半年的时间’，后来我真的成功了。”

几年前，还在读博士的吴毅第一次做学术报告，就是在一个比较重要的国际学术会议上。“元老师对我说，‘从你站在讲台上的那一刻起，你就具备这样的能力了’。”

如今作为实验室主要研究者，吴毅自己也带学生。他说，自己看重学生是否有“发自内心的兴趣”，更看重他们的心态。“从零起步到站在世界前沿，我们现在要做的更多是前人没有做过的事，做基础研究要有主动性，要做好‘打硬仗’的准备。”