防走失，電梯直達安全島

來源：科普中國

作者：劉惠榮

當你指尖劃過手機屏幕，刷著高清視頻、聊著社交軟件時，或許從未想過：手中這部輕薄設(shè)備的核心——芯片，竟是人類在“頭發(fā)絲”上搭建的超級城市。一根普通頭發(fā)絲的直徑約 0.1 毫米，而最新手機芯片中的晶體管，尺寸已縮小到 2 納米——相當于把千萬棟建筑壓縮到比塵埃還小的空間里，卻能承載海量信息的高速流轉(zhuǎn)。

這種突破物理極限、挑戰(zhàn)尺度邊界的創(chuàng)造，正是“極端制造”的生動寫照。它藏在深空探測器的核心部件里，躲在醫(yī)療設(shè)備的精密探針中，融入新能源汽車的電池組內(nèi)，早已成為人類探索宇宙、改造世界、改善生活的關(guān)鍵手段。

今天，我們就來揭開極端制造的神秘面紗。

什么是極端制造？

2003 年，我國中南大學鐘掘院士在全球首次提出“極端制造”理念。簡單說，它就是在極端條件或環(huán)境下，用先進技術(shù)和高端裝備，制造“極致規(guī)格”產(chǎn)品的制造方式——要么是尺度極微或極大，要么是精度極高，要么是能在極端環(huán)境下穩(wěn)定工作，甚至能創(chuàng)造極端物理條件的科學裝置。

極端制造打破了傳統(tǒng)制造的物理約束和技術(shù)瓶頸，融合機械、材料、物理、光學等多學科優(yōu)勢，朝著“尺度、精度、環(huán)境、性能”四大極限沖鋒。我們可從兩個核心維度直觀理解：

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尺度極限：極小與極大的“兩極穿越”

極端制造的尺度跨越堪稱“天壤之別”，一端是肉眼不可見的微納世界，另一端是震撼人心的巨型裝備。

極小尺度制造（微納制造）：瞄準微米（10??米）、納米（10??米）級超精密加工，如芯片晶體管陣列、醫(yī)用納米機器人、手機微型傳感器等，其對精度要求極高，差之毫厘便全盤失效。

極大尺度制造：聚焦超大型、超重型裝備及系統(tǒng)，如全長 36 千米的北京正負電子對撞機（相當于 40 個標準足球場）、排水量 110 萬噸的超大型油輪（約等于 10 艘航空母艦）、跨度超千米的跨海大橋鋼箱梁等。這類制造需突破材料強度、裝配精度、運輸難題等多重考驗，堪稱“工業(yè)巨無霸”的鍛造術(shù)。

港珠澳大橋

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環(huán)境極限：極端條件下的“生存挑戰(zhàn)”

部分產(chǎn)品需在極端環(huán)境中工作，其制造過程本身就是一場“極限挑戰(zhàn)”：耐極端溫度方面，如抵御-196℃ 超低溫的航天燃料儲箱（接近液氮溫度）、承受 5000℃ 高溫的火箭發(fā)動機噴管（堪比太陽表面溫度的三分之一）等；耐極端壓力方面，如可在深海 10000 米（相當于 1100 個大氣壓）工作的探測器外殼，以及在太空超高真空環(huán)境中運行的衛(wèi)星部件。這些產(chǎn)品的制造，必須攻克特殊材料和工藝難關(guān)，確保在極端環(huán)境下穩(wěn)定工作。

極端制造到底難在哪里？

極端制造的“難”，遠超常規(guī)制造的想象邊界。核心難點在于：進入極端尺度或環(huán)境后，材料和構(gòu)件的物理性能會出現(xiàn)“反?，F(xiàn)象”，甚至違背常規(guī)物理規(guī)律，這就要求科研人員重新探索新原理、新方法。

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極小尺度：擺脫宏觀規(guī)律的“微觀迷宮”

當加工對象縮小到納米級別，宏觀世界的“連續(xù)性”被打破，量子效應(yīng)、分子間作用力開始主導物質(zhì)行為，傳統(tǒng)加工方式完全失效。例如制造納米碳管晶體管，需將直徑僅 1-2 納米（比頭發(fā)絲細 5 萬倍）、長度達微米級的碳納米管，精準排列在芯片基底上，排列間距誤差不能超過 5 納米，堪比在足球場里精準擺放幾百根細針，且需避免相互碰撞，任何微小擾動或雜質(zhì)都可能導致結(jié)構(gòu)報廢。更難的是操作控制，用原子力顯微鏡“搬運”原子時，需將探針與原子的作用力控制在“皮牛級”（相當于用頭發(fā)絲撬動塵埃），稍有不慎便會破壞原子結(jié)構(gòu)。

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極大尺度：整合與控制的“系統(tǒng)工程”

極大尺度制造的難點，在于將數(shù)百萬個精密部件組裝成超大型裝備并保證整體性能達標。以我國長征五號運載火箭為例，其全長 57 米、直徑 5 米（相當于 20 層樓高），核心難點集中在超大部件加工和高精度裝配：加工環(huán)節(jié)，直徑 5 米、長度數(shù)十米的鋁合金貯箱壁厚僅幾毫米，需用專用模具和分步工藝避免應(yīng)力變形；裝配環(huán)節(jié)，芯級與助推器對接、發(fā)動機與箭體連接的精度要求達毫米級（相當于 20 層樓高建筑對接零件誤差不超過牙簽粗細），否則將直接影響飛行姿態(tài)。

長征 5 號遙2火箭丨wikipedia / 篁竹水聲

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極高精度：復雜環(huán)境中的“精準狙擊”

極高精度制造對環(huán)境要求近乎苛刻，溫度、濕度、振動、氣壓、塵埃等都可能影響精度。以 EUV 光刻機核心透鏡制造為例，加工必須在“超潔凈室”進行：空氣中塵埃顆粒直徑不能超過 0.1 納米（比原子還?。?，環(huán)境溫度需穩(wěn)定在±0.01℃，0.1℃ 的波動就可能導致透鏡曲率變化。

更棘手的是誤差累積效應(yīng)，航空發(fā)動機渦輪葉片制造需經(jīng)數(shù)十道工序，每道工序誤差需控制在 0.1 微米以內(nèi)（頭發(fā)絲直徑的千分之一），但微小誤差會不斷累積，需建立全流程誤差補償系統(tǒng)，實時監(jiān)測并通過算法調(diào)整參數(shù)，這對傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理能力和工藝建模能力要求極高。

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極端環(huán)境：材料性能的“極限考驗”

極端溫壓環(huán)境下，材料性能會急劇變化，給加工帶來巨大挑戰(zhàn)：極端高溫（3000℃ 以上）時，多數(shù)金屬會熔化氧化，如火箭發(fā)動機噴管需兼具耐高溫、耐磨損、抗腐蝕等特性；極端低溫（-200℃ 以下）時，材料會變得脆如玻璃，如南極科考站鋼結(jié)構(gòu)加工需用專用焊材控制焊縫冷卻速度；極高壓/超真空環(huán)境下，深海探測器耐壓殼需承受 1.1 萬米深海的 1100 個大氣壓，無任何縫隙；衛(wèi)星太陽能電池板加工需在超高真空環(huán)境中進行，避免表面雜質(zhì)揮發(fā)污染部件，設(shè)備成本和技術(shù)難度極高。

長征系列火箭的發(fā)動機之一丨wikipedia / Shujianyang

中國為什么高度重視極端制造？

中國對極端制造的重視，既是應(yīng)對全球科技競爭的必然選擇，也是推動產(chǎn)業(yè)升級、改善民生的現(xiàn)實需求。

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國家戰(zhàn)略：守住安全底線的“核心支撐”

航空航天、航海、國防等領(lǐng)域的高端裝備，均離不開極端制造支撐。我國嫦娥系列登月飛船、中國空間站、大型航空母艦、450 千米/時的高鐵、“蛟龍?zhí)枴陛d人深潛器、8 萬噸模鍛壓機、光刻機與微電子芯片等重大裝備的面世，背后都是極端制造技術(shù)的突破。

在國防領(lǐng)域，先進武器的隱身性能、打擊精度等方面也依賴極端制造的精密加工；沒有自主可控的極端制造技術(shù)，國家主權(quán)和安全就缺少關(guān)鍵保障?？梢哉f，極端制造是國家科技實力的“硬核名片”，更是守住安全底線的“壓艙石”。

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產(chǎn)業(yè)升級：打破技術(shù)封鎖的“破局鑰匙”

當前，我國在芯片、高端醫(yī)療設(shè)備、光刻機等領(lǐng)域面臨國外技術(shù)封鎖，而這些領(lǐng)域的核心正是極端制造。例如制造先進制程芯片需 EUV 光刻機，其包含數(shù)十萬個精密部件，涉及超精密光學、超高真空等極端技術(shù)，突破這些技術(shù)就能打破壟斷，助力我國半導體產(chǎn)業(yè)自主發(fā)展；在新能源汽車電池領(lǐng)域，通過極端制造優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)，可提升能量密度和散熱性能，推動產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。極端制造的突破，能帶動新材料、新工藝、新裝備全面升級，推動我國制造業(yè)從“大而強”向“精而尖”跨越，擺脫對國外技術(shù)的依賴。同時也能引領(lǐng)科學探索，贏得全球科技競爭。

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民生福祉：提升生活品質(zhì)的“幸福密碼”

極端制造看似遙遠，實則早已融入日常生活，悄悄提升民生福祉：醫(yī)療領(lǐng)域，微型手術(shù)機器人可深入人體器官精準切除病灶，減少創(chuàng)傷和恢復期；交通領(lǐng)域，高鐵軸承通過極端制造保證超高耐磨性，保障出行安全快捷；環(huán)保領(lǐng)域，超大型風電葉片、高效光伏組件等的極端制造，提升新能源利用效率，降低電價、改善環(huán)境；在日常用品方面，手機芯片微型化、家電高精度部件等，都離不開極端制造，讓生活更智能便捷。

從微觀的納米芯片到宏觀的航空母艦，從深海的探測器到太空的空間站，極端制造的本質(zhì)，是人類對“極限”的不斷挑戰(zhàn)。未來，隨著更多極端制造技術(shù)的突破，我們或許能看到“納米機器人治病”“超大型太陽能電站”等更神奇的場景。而這一切，都源于人類永不滿足的探索欲和精益求精的工匠精神，在極端制造的世界里，沒有“不可能”，只有“尚未實現(xiàn)”。