激光智能制造 打造幸福生活

雷仕湛 薛慧彬 沈力 闫海生

激光智能制造是激光制造技术与人工智能技术相结合的新型制造技术。激光制造技术是先进的制造技术，同样的，人工智能也是先进制造技术，它们的融合，锦上添花，成就了一门新型先进制造技术，进一步大幅度提高了工业生产效率，产品质量，产品多样性、适用性以及生产的环保性，多、快、好、省地制造出更多种类产品，体现了未来制造业向智能化、绿色化的发展趋势。

激光智能制造技术升级改造了传统加工制造技术，同时又诞生了一系列颠覆性的新型制造技术，实现高质量、高速度工业制造，在提高生产制造能力的同时，又降低了制造成本。

激光智能工业制造内容丰富，这里介绍其中的两个方面：激光智能加工和激光增材制造。

激光智能加工

工业生产制造的一个重要工序是需要对材料按设计要求，对使用的材料进行加工，比如打孔、切割、焊接、表面处理等，利用激光束做加工工具，在智能制造系统的配合下进行加工，具有如下一些特点：

加工精度高

激光束是相干性很好的光束，利用光学系统可以把它会聚成直径微米量级的光束；同时，在智能控制系统的驱动下，加工制造的产品精度很高，范围在几微米以内；一致性也非常好，彼此的尺寸差别在几微米以内。

加工适应性强

适用于加工的材料广泛，固态材料、液态材料、金属材料、非金属材料、半导体材料、高强度材料、易碎裂材料均适合用于加工制造。同时，激光智能制造系统属于柔性加工制造，在它的整个制造加工区可以自由运动，能适应各种加工条件。其次，激光束加工路径是由程序控制的，如果加工对象发生变化，只需修改程序，实施方便。此外，一台制造加工设备配套不同的硬件和软件，就具有了多种制造加工功能。

可优化选择加工工艺

影响加工质量的工作参数有很多：①材料参数，如被加工材料性质和材料厚度等；②激光参数，如激光的平均功率、脉冲激光参数、激光焦距、离焦量（焦点位置）等；③工艺参数，如激光束扫描速度等。这些工作参数中有些是独立的，有些则要由其他参数决定，智能制造系统会根据对产品的要求作出选择，并在执行加工过程的同时做检测，实时调整加工工艺，保证了加工的制件质量。

可灵活加工大尺寸工件

在激光智能加工系统中，通过移动激光加工头，可以加工制造大尺寸工件，而且能够获得很好的工件质量。如集成电路制造需要的最基本材料——晶圆，其制造过程通常涉及晶棒制造、切片、研磨、刻蚀、抛光等多个工序，现在利用激光智能制造技术制造的晶圆，能够满足集成电路制造不断发展的需要。

激光增材制造

它又称为激光3D快速成型，是基于计算机辅助设计的数字模型，通过逐层增加材料成型，在无需使用任何硬质模具的情况下，直接从计算机三维设计制造出实体零件或原型。与传统的制造技术相比，可省去大量复杂繁琐的产品制造流程（包括模型制作、模具制作、不同结构的拆分制作与组装等）。这不仅节省制造材料，降低了单个产品的制造成本，而且制作过程简单快捷。现在，这种制造技术已经广泛应用于航空、航天、能源、动力、医学等领域。尤其是在航空、航天等领域，它们对装备的轻质化、可靠性的要求不断提高，制造的构件使用钛合金、高温合金和超高强度钢等高强度合金的比例大幅度增加， 采用传统热加工和机械加工制造变得非常困难，此时激光增材制造便是最优的选择。

与传统的制造相比，激光增材制造有诸多的优越性：

制造速度快

因为它不需要传统的专业生产设备或事先制备模具等，摆脱了传统制造需要的毛坯制造、刀具准备以及粗加工和精加工等制造过程，从“电子模型”直接制造出所需要的产品，极大地缩短了生产制造周期。当制造的制件形状、结构改变时，也无需重新设计制造工艺、添置新设备和专用工具，只需准备相应的CAD模型即可，这为新产品开发建立了新模式，从CAD设计到完成原型制作通常只需几个小时到几十个小时，加工制造可节约70%以上的时间。不仅缩短了新产品开发周期，而且降低了开发费用，使企业在激烈的市场竞争中占有先机。

制造适应性强

这种制造工艺与制件的复杂程度无关，既不受加工工具的限制，也不受制作材料的限制，可以方便地制造各种材料（金属和非金属、树脂类、塑料类、纸类、石蜡类、复合材料以及陶瓷等）的制件。对于一些结构复杂的制件，传统的制造技术工艺繁杂、制造难度大；而对于激光增材制造来说，无论制件结构多么复杂，都可以轻松地制造出来，也不再受制造设备能力的禁锢。

节约制造材料

传统制造实际上是一个去除材料的过程，制造过程中浪费了不少材料。激光增材制造则是根据已知的三维数据，通过制造设备逐层添加材料制造，而不是在去除材料做制造，同时还节省了制造模具的材料。

激光增材制造技术有如此多的优点，已经被许多工业生产制造领域广泛采用。只要能够提供制件设计模型，激光增材制造技术就能制造出来，大大丰富了我们的物质生活。

2016年，习近平总书记在全国卫生与健康大会上提出“大健康”的理念，成为新时代我国实施“健康中国”战略的重要指导，把保障人民健康放在优先发展的战略位置。实施大健康也将产生很大经济效益，有关资料显示，我国2030年大健康产业规模將达16万亿元，市场正在迎来前所未有的发展契机。

制造个性化医疗器件

使用个性化医疗器件能够大大提升医疗效果，患者可以又快又好地恢复身体健康。

制造个性化手术刀

手术刀是外科医生进行外科手术治疗时常用的工具，激光智能制造能够个性化定制，制造复杂结构的手术刀。在医疗领域，无论是被施手术的患者还是施行手术的医生，他们都存在个体差异性。通过有关医疗成像技术获取病人和医生的相关人体数据，激光智能制造便可制造出个性化手术刀，让它既符合医生的使用习惯，又有利于提升对特定病人做手术的能力，这显然有利于提高手术成功率和手术质量。例如，对于眼科手术来说，手术刀的刀头夹角是关键参数，眼科医生希望能调整其角度，适合自己使用。现在，根据医生提出的个性化需求，激光智能制造可以很快把所需手术刀给制造出来，而且制造过程快捷，几乎立等可取。

制作个性化人体内植入器件

由创伤、肿瘤、炎症、退变等疾病引起的骨、软骨组织缺损、畸形等，常需要假体或者骨移植进行修复重建。比如复杂性创伤通常会造成局部骨质缺损及周围粉碎性骨折，治疗时常需要人工髋关节（髋臼杯）或人工椎体、椎间融合器、硬脑（脊）膜补片等植入件，以往这些人体植入器件通常是工厂按流程批量生产的通用品，难以满足不同患者的需求。从医学角度来看，不同患者的解剖学结构以及其临床要求不尽相同，而批量生产的这些器件一般都是相同的形状和尺寸。 现在，利用激光智能制造就能够为每位患者量体裁衣，制作个性化的体内植入器件，它具有很好的解剖学适配性，能让其精准吻合缺损处，使组织接触界面紧密，可促进正常骨细胞的黏附和增殖，获得良好治疗效果；同时也能减少患者的卧床时间。

制作个性化康复器具

根据个性化需求制作的假肢、矫形器和助听器等医疗康复器械，可获得更好的康复效果。传统制造方法制备的康复器具很难满足患者个体化的需求，既影响舒适度，也影响康复效果。激光智能制造可定制适合不同年龄、不同身高人群个性化的康复器，尤其是对于儿童患者，因其还在长身体，需要频繁更换康复器具。现在，激光智能制造技术制作的矫形器和假肢，能精确地复制患者踝关节和脚部解剖学结构，从而获得更好的复康效果。

制作个性化人体器官

人体器官包括眼、耳、鼻、舌等感觉器官；心、肝、肺、肾等内脏器官（又称为实体器官）；气管、肠、膀胱等中空器官；以及皮肤、骨骼、肌肉等结构（或支撑）器官。人体器官制造是千百年来人类的一大梦想，现在，激光智能制造可以实现人类的这个梦想。

制作人体器官模型

做人体内器官外科手术（如肝脏肿瘤外科手术）前，充分了解患者组织结构及血管分布，是制订手术方案的基础。根据人体的器官成像资料，利用激光智能制造技术制作人体内的这些器官模型，外科医生就可以比较直观地了解患者的个性化解剖学特征，制订的手术方案便可以实现个性化、精准化，提升了手术成功率。例如，肾上腺是人体重要的内分泌器官，其作用很重要，而肾上腺疾病手术治疗时往往会出现破坏肾上腺组织的情况，这会给患者的健康带来不良影响。现在利用激光智能制造技术制作的器官模型，方便医生准确地了解该手术的复杂性和困难，进而设计合适的手术方案，既有助于降低手术难度，又能减少因缺血带来的肾功能损伤，还可明显减少手术后内分泌改变带来的并发症。

制作人体移植器官

由于疾病、先天畸形和交通事故等原因造成人体器官损伤以及终末期重要生命器官衰竭的患者， 进行器官移植是最有效的治疗方法。但由于人体器官供体不足以及人体的排异反应，又给此项医学技术造成严重障碍。全球人体器官供应数量是十分有限的，据报道，中国每年因终末期器官衰竭而需要器官移植的人数大约有150万，但实际只有不到1万人能够获得可供移植的器官，供求比例1∶150，许多病人因为等不到合适的移植器官而死亡。又比如，每年需要做肾移植手术的患者高达30万，而能够成功进行肾移植的患者则只有3000人，大多数患者在等待配体的过程中因病情恶化而离世。在世界上其他国家也有类似情况。现在，激光智能制造摆脱了人体器官供体缺乏的困境，患者不必再苦等，可随时订制；同时又不会产生传统器官移植带来的免疫排斥反应问题，这无疑给那些需要做器官移植的患者带来了福音。

激光智能制造技术制作出来的人体器官，也能够为药物筛选提供新途径，有助于解决新药制造周期长、成本高和效率低的问题。在新药开发研制过程中，往往由于缺乏准确的药物筛选模型，新药研发制造一直是一个高成本、低效率和高风险的领域。国际上单个创新药物的开发成本普遍超过10亿美元，而且耗时长（一般需要10 年左右）。从理论上来讲，进行药物筛选最佳的方法是用人体做试验，但在法律上是不允许的。

我们生活的地球变得越来越不太平。大事件如全球气候异常变化，气候变暖，极端气候事件频发；又如小行星很可能碰撞地球。地球曾经发生过5次全球生物大灭绝，主要也是由这两件事引起的。有科学家预言第6次全球生物大灭绝已经在路上，再过200年左右地球上的人类将可能灭亡。那么我们能否逃过这次劫难呢？

全球气候异常变化

全球气候异常，已经是不争的事实。首先，气候变暖，气温继续上升，根据世界气象组织发布的《2022年全球气候状况报告》，2022年全球平均温度比1850—1900年的平均值高出了约1.15摄氏度。我国近一个世纪以来年平均气温也明显上升，变暖幅度约为1.3摄氏度，增温速率为每10年0.25摄氏度。

由于全球气候变暖将导致大陆冰川消融和海水体积膨胀，让海平面升高。研究发现，1961—2016年间，冰川融化超过9625亿吨冰，导致全球海平面在此期间上升了27毫米，上升程度超过预期。海平面上升将淹没大片陆地，让人类失去很多耕地和居住地。科学家指出，随着全球气候继续变暖，预计到2100年，在地中海周边的49个城市和古迹将会从地球上消失。海平面上升也会直接威胁部分海岛国家居民的生存。对于人口多数集中在沿海或河岸下游地区的亞洲国家以及地势低的国家，也将面临被海水淹没的危险。

随着全球气温升高，极端气候也频频出现，如在某些地区出现特大干旱，或者持续性强降水，或者超强台风、强寒潮，或者高温热浪等。亚洲各国、英国、莫桑比克、苏丹和乌拉圭等地区，都遭遇了历史上罕见的高温、严寒、暴风雨、暴风雪和洪水泛滥等事件。今年以来，全球范围便已经发生多起极端气象灾害：2月份的热带气旋“加布里埃尔”使新西兰进入国家紧急状态。一季度美国加利福尼亚州南部暴风雪肆虐，导致当地大范围停电和道路封闭；巴西圣保罗州的极端强降雨和洪水令数千人无家可归。澳大利亚遭受极端高温，酷暑难忍，阿德莱德气温达到46.6摄氏度，打破80年来的纪录；怀阿拉48.5摄氏度、利溪46.9摄氏度、奥古斯塔港49.1摄氏度，全部打破历史最高气温纪录。

气候异常变化对生物的影响也很大，诸如加剧病虫害，生物多样性减少，植物、植被、森林、草原、海洋等生态发生变化，农业、畜牧业和渔业生产受损失，更为严重的是引发传染病和流行病，影响人类健康，降低人体免疫力。

引起全球气候异常变化的原因有多方面，其中最主要的原因之一是地球运动状态发生变化，如地球自转运动速度变化、极移变化等，利用激光智能制造技术制造的探测系统如卫星激光测距，便可以准确地测定地球自转速度变化，测量精度和分辨率都很高，日长测量的精度已经超过1/10 000秒，相当于一日的10亿分之一，测量结果显示，当前地球自转周期变慢率为每100年1.4毫秒。有鉴于此，国际社会在1987年成立了地球自转服务组织IERS（International Earth Rotation Service），并决定自1988年1月1日开始采用人卫激光测距技术等进行地球自转参数服务工作。

小行星撞击地球

这是威胁性更大的天灾。美国《发现》杂志曾经评出“21世纪威胁人类生存的20大危险”，其中小行星撞击地球位于首位；在联合国认定的世界四大突发灾难中，小行星撞击地球也位居第一。之所以这样认为，是因为小行星撞击地球时会产生巨大的撞击能量，一颗直径1千米的小行星撞击地球时可产生8×106万吨当量（1万吨当量=104吨TNT炸药的爆炸能量）的撞击能量；一颗直径100米量级的小行星撞击地球可产生8000万吨当量的撞击能量；即便直径为30米的小行星撞击地球时，产生的能量亦可达200万吨当量。相比之下，1945年在广岛投下的原子弹爆炸产生的能量也仅约为2万吨当量。小行星撞击地球释放出来如此巨大的能量，足以给地球造成灭顶之灾。

科学家在使用亚尔科夫斯基效应对小行星轨道进行研究后发现，许多小行星对地球产生潜在威胁，根据科学家的监测结果，有7颗小行星在不久的将来可能与地球碰撞，其中又以贝努（Bennu）小行星的威胁最大，这颗小行星的赤道直径约为500米，重量为7900万吨，预计在2135年9月25日大概率撞上地球，那时地球可能会在数量大约相当于8万枚广岛原子弹爆炸釋放的能量下毁灭。

激光智能制造可以制造各种用于监测小行星的探测系统，对近地小行星进行“人口”普查，掌握它们的运动轨道、物理特性以及尺寸等，并持续监测其可能会发生的轨道变化，对可能发生潜在威胁撞击地球的小行星作出预警，并设法规避撞击事件。

现在，激光智能制造让科学家找到不少办法防御小行星撞击地球。如用某种外力施加于小行星，使其运行轨道发生改变，或者直接摧毁它，便是避免小行星撞击地球的办法之一。当光束投射到物体表面时会对其产生作用力，这就是通常说的光压力。利用激光智能制造建造的大型激光器系统，能够输出强度比太阳光强亿倍的光束，能够对被照射的物体产生强大的作用力，当把这种强激光束对准小行星照射时，能够推动它离开原来的飞行轨道，从而避免与地球发生碰撞。又如利用激光智能制造技术制造的航天器撞击小行星并把它击碎，也是防御小行星撞击地球的有效手段之一。科学家作过分析，这种航天器碰撞小行星的成功率很高。

[1]周杨. 习近平“大健康”理念的实践路径研究. 天中学刊， 2023， 38（1）： 9-16.

[2]雷仕湛， 闫海生， 薛慧彬， 等. 激光与地球. 上海： 上海科学技术出版社， 2020.

[3]雷仕湛， 屈炜. 地球危机——中国的应对. 上海： 复旦大学出版社，2021.

[4]雷仕湛， 陈刚， 邱秋林. 光学精准医疗. 上海： 上海科学技术出版社， 2023.

关键词：激光智能制造 工业制造 大健康 防御天灾 ■