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在知识产权中寻找创新灵感——对话传统知识与现代科技科技带来福音数字孪生造福人类 CCF HPC china引领产学研创新实践

中国知识产权报

  科技孪生对于公众而言并不陌生,可以理解为数据传输的过程复制拷贝。而如何将虚拟存储在电脑中的数据在现实中展现最简单的方法莫过于将电脑内容通过打印机扫描仪等外接输出设备打印为文稿。这种复制拷贝行为是低层次的数字孪生行为。

  类似的场景在商业化过程中层出不穷。通过科技孪生可以帮助制造、建筑、道路、桥梁甚至城市规划搭建模型,从而将试错成本控制到最低。通过高仿真和虚拟化模拟场景做到将虚拟和现实映射。

  通过数字孪生可以让虚拟和现实通过数据建立关联,工程师可以借助数字孪生来频繁迭代优化产品方案。科学家可以借助数字孪生来确保航天安全和维护。智能驾驶系统可以借助数字孪生来帮智能汽车规划最佳驾驶方案。

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  人工大脑

  显然,数字孪生的优势还在于将建模、仿真、物联网、传感器、人工智能、VR\AR等多项科技技术完美融合,正是如此才让科技孪生变成科学家孜孜不倦前赴后继探索的热门课题。

  在好莱坞科幻电影中,科学家可以将人类的记忆复制到机器人大脑或者让机器人延续前一代机器人的意识。通过大脑意识的延续,让永生成为可能。科幻大片导演的天马行空的想象让科技孪生改变未来世界有了新的梦想。

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  科技孪生脑概念图

编者按:索取与改造、顺应与共生,自然与人类活动互动的故事自人类诞生之日起就在不断上演。在地球这个人类赖以生存的家园中,人与自然如何相处才能更好地实现人类的发展与延续?知识产权记录着古老的传统智慧和现代的科学技术的发展脉络,从中亦可窥探出绿色发展之路的方向。

古代智慧启迪绿色创新

水、风、土、四季冷暖变化、地形地势、矿产、动植物……千百年来,这些自然界中的元素变化不断影响着人类的生产生活。从人类诞生之日起,认识自然、探索自然、利用自然、改造自然一直是人类社会发展的最重要的议题之一。进入现代,人类社会的方方面面都在飞速发展,攫取自然资源的脚步也不断加速。当生存环境遭到严重破坏,人们与自然的关系应该得到反思。人类如何与自然和谐相处?中华民族5000年来积累下的传统知识依然在展现着其科学性和生命力。

“细雨连绵暮春到,雨生百谷夏将至。”刚刚过去的谷雨节气是“二十四节气”中的第6个节气,在中国传统农谚中有“清明下种,谷雨下秧”之说,指的是到谷雨节气,下了春雨,水田才能开始插秧。

  只要抽出功夫拨茧抽丝深入研究就可以发现,人类对孪生探索的溯源由来已久。服装界用塑胶模特来展示衣服的美感,汽车界用橡胶模型来测试汽车气囊安全性,针灸馆用橡胶模特来对应展示人体穴位。诸如此类低配版的科技孪生无法满足人类的更高层次需求,因而科技孪生的交互特性让现实和虚拟链接成为一种可能。

  工程师借助虚拟洗头先绘画出智能穿戴设备的产品图,现实中工厂制造出产品并销售给用户。用户借助智能穿戴设备从而掌握独特个体的血压和心率等健康数据。借助蓝牙、WIFI等传输方式被虚拟系统回收通过大数据分析从而出具完整的健康服务报告,让用户和平台良性互动的过程就是科技孪生。

“二十四节气”是中国古人通过观察太阳周年运动,认知时令、气候等变化规律形成的知识体系,它既是中国先民对自然气候的认识论,又是实践论。从秦代开始,不断总结和形成中的“二十四节气”就开始指导中国农耕社会生产生活的开展,直到如今仍然在发挥着作用,深刻影响着人们的思维方式和行为准则,是中华民族文化认同的重要载体。

原文化部非物质文化遗产司巡视员马盛德认为,作为中国传统文化的“二十四节气”虽然在对于农事的指导功能逐渐减弱,但在当代中国人的生活世界中依然具有多方面的文化意义和社会功能,鲜明地体现了中国人尊重自然、顺应自然规律和适应可持续发展的理念,彰显出中国人对宇宙和自然界认知的独特性及其实践活动的丰富性、与自然和谐相处的智慧和创造力。正因如此,2016年,“二十四节气”被联合国教科文组织列入人类非物质文化遗产代表作名录。

尊重自然、顺应自然是中华民族与自然相处的哲学根基。在改造自然的过程中始终按自然规律办事,让众多中国古代传统知识散发出科学的光辉,并为当代人们处理与自然的关系给出启迪。

  目前受技术制约,科技孪生尚不能做到对人类大脑的虚拟复制,但通过对现实物品的复制同样让人类受益匪浅。建筑设计师可以将毛胚房设计成样板房,工人拿设计方案去照图施工,最终呈现在业主面前的效果和电脑上看到的别无二致。

世界闻名的都江堰水利工程,2000多年来屡屡经历大汛,数次严重受损,但功用长存,让原本灾害频繁的成都平原成为享誉世界“天府之国”。它不仅仅是工程上的世界奇观,其得以延续2000余年的神奇之处,还在于历代传承的治水理念。“深淘滩,低作堰”“分四六,平潦旱”“乘势利导,因时制宜”……直到今天,都江堰的维护仍然遵循着这些理念。令人惊讶的是,“乘势利导,因时制宜”的理念应用于现代水资源调配的过程中,深刻地反映出人和水资源的关系,为当地解决供需矛盾提供了借鉴。

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  CCF HPC China 2021 大会

  2021年10月21日,在珠海横琴新区举办的全国高性能计算领域顶级盛会CCFHPC China 2021 大会上,长江学者特聘教授、上海数学中心首席教授、复旦大学类脑人工智能科学与技术研究院院长、复旦大学大数据学院院长、上海脑科学与类脑研究中心副主任冯建峰应邀做了题为《数字孪生脑》的学术报告。

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  冯建峰教授做学术报告

  该报告中提及复旦大学类脑智能科学与技术研究院项目团队取得重大研究成果。“数字孪生脑”实现200亿脉冲神经网络全脑计算模拟。研究团队通过对“数字孪生脑”的探索,人脑在静息态,受到外界刺激时等不同情况下的状态,将为今后向大脑学习的人工智能研究进一步拓展打下基础。

  在应用科技孪生脑上,冯建峰教授创造性提出“脑体检”的概念。将公众较为关心的医疗健康和脑科学有机结合,让科技孪生直接应用于大众医疗科学中,服务千万级潜在需求者。

  冯建峰教授表示,科技孪生在产业化应用上同样取得不菲成绩。以张江国际脑影像中心、多维度脑科学数据库和标本库、张江国际脑影像中心、国际一流多尺度精密成像平台等一系列研发平台上线运营,标志着全球最先进的脑与类脑前沿研究平台集群应运而生。

随着当地的社会经济发展,水资源的需求越来越大。然而水资源是有限的,当地管理部门从上世纪80年代开始通过价格杠杆调节水资源的分布。多年来,当地农民已改变了免费用水的老观念,“水是商品,用水就要交费,多用就要多交费”的理念深入人心,自然而然地达到让灌溉农民自觉节约水资源的目的,从而在水资源利用上“乘势得导”,达到水资源的可持续发展。如今,在整个都江堰灌区,灌溉水利用系数由0.432提高到0.51,受益区亩次平均用水量下降17.7%,年增节水能力6.18亿立方米。

  项目团队在科技孪生基础研究上,成功研发出领先全球的类脑智能原创算法、实现200亿脉冲神经网络全脑计算模拟到一系列脑科学实验新范式、人工智能理论新算法……骄人成绩信手拈来,得益于成员坚持不懈的努力,脑智能理论、类脑智能算法、脑疾病寻根等成果让海内外业界为之侧目。

再如,北京大学建筑与景观设计学院院长俞孔坚,曾在设计中将中国古代的供水系统理念重新引入现代设计。“把中国一些工业化程度最高的城市变成了绿色建筑的标杆。”英国《卫报》曾撰文这样评价俞孔坚的“海绵城市”理论。

  实践出真知,科技创新离不开产业规模化推广应用。目前,复旦大学类脑智能科学与技术研究院已推动脑智能理论与算法在重大领域的示范应用,分别与自动驾驶、智能电网、智慧物流、轨道交通、智慧诊疗等领域实现贯通。在掌握多达百项专利背景下,和国内多家企业机构达成合作,共同将科技孪生应用在诸多领域。

简单概括,“海绵城市”即城市使用软材料和梯田涵养水源,而后可以提取利用,不使用不吸水的普通混凝土和钢筋。在设计中,俞孔坚使用了“以农民耕作技术为基础,使农业灌溉系统适应城市环境,并吸收使建筑物适应季风气候方面的经验”的总体策略。具体来说,俞孔坚从云南红河地区哈尼族梯田景观中得到灵感,把梯田建设知识引入海绵城市体系,拆除混凝土建筑,使水保护系统“复活”,让城市与洪水共存,经受住洪涝灾害的袭击。而在干旱的时候,“海绵城市”系统就地蓄留雨水,让系统放慢排水速度,从而达到滋养栖息地和保护生物多样性的目的。俞孔坚坦言,这也是古人为适应季风性气候而总结出的经验和智慧。

  借助类脑智能等技术手段可以辅助医疗机构进行健康管理和治疗,如项目组经过科学缜密实验结果得出结论儿童睡眠少于7小时,极易导致行为问题、认知和心理问题。帮助医疗界精准定位抑郁症患者脑功能异常区域等。这意味着未来治愈抑郁症不是没有可能,技术变更带来的革命性突破让人脑与AI想象空间被无限拓展。

  这并非不可能,随着类脑技术的成熟新启蒙运动悄然到来。美国Neuralink就曾成功让猴子学会玩乒乓电脑游戏。试想,如果人脑与AI可以被成功应用于失明、失聪、瘫痪、抑郁、精神分裂、自闭等诊断领域,势必造福千万人群。

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  2021 CCF HPC China大会

从观天象到利用土地、河流、季风……古代文明对自然的认识和利用充满劳动人民的智慧和力量,期中有挖掘不尽的“宝藏”。而在当代科技日益发达的社会环境下,重拾这些“宝藏”,不断从中汲取灵感,结合现代科技更好地践行人与自然和谐相处的理念,是保护和传承这些珍贵传统知识的应有之义。

现代科技点亮绿色未来

自古以来,人类就在用特有的方式与自然和谐相处。但不知从何时起,看到蓝天碧水、呼吸清新空气,也成为奢侈的事情。治疗大自然的“创伤”,科学技术是最有效的“解药”之一,气候危机和生态环境的恶化催生了绿色技术的崛起。“近年来,在节能环保、清洁生产、清洁能源、生态保护与修复、城乡绿色基础设施、生态农业等领域不断涌现出科技创新成果,成为缓解环境问题的一种重要途径。”中南大学知识产权研究院执行副院长何炼红表示,依靠科技创新推动绿色发展,为绿色未来而创新,已成为人类发展共同的选择。

民以食为天,农业是衣食之缘。随着农业新技术、新品种的广泛普及渐渐改变了几千年来农业受制于自然,农民靠天吃饭的局面。拥有自主知识产权的杂交水稻培育成功让我国的水稻生产向更加优质、高产、绿色和可持续发展的方向转变,也说明了中国人有能力把饭碗牢牢端在自己手中。“杂交水稻之父”袁隆平一生致力于杂交水稻技术的研究、应用与推广,2011年,当时已经81岁的袁隆平带领团队又启动了以遗传工程雄性不育系为遗传工具的第三代杂交水稻育种技术的研究与利用,目前已初步研究成功。

确保食品安全、可持续是推动绿色发展的重要任务。而在能源领域,清洁新能源对减少温室气体排放,应对气候变化挑战,改善全球生态环境发挥着重要作用,因此新能源代替传统能源已是大势所趋。

  《数字孪生脑》学术报告只是CCF HPC China历年来优质学术报告中的一例,窥一斑而知全貌足以说明全国高性能计算学术年会当选全球最具影响力的三大盛会名副其实。大会的成功举办离不开并行科技等企业在幕后辛勤耕耘。此外,本届CCF HPC China 2021大会承办地珠海横琴新区,更是战略性布局横琴超算中心。

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  珠海国际会展中心

  珠海横琴新区横琴超算中心正在向全球规模最大的人工智能超算中心努力。作为大湾区合作新模式示范区,横琴与中科院联合上线横琴超算中心为横琴成为大湾区国际科技创新中心埋下引领未来经济高速发展的基石。超算落户横琴意义远不止如此,围绕横琴超算中心将推动珠江口人工智能研学企发展,也将为大湾区人工智能科研机构和企业提供支撑。

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粤澳深度合作区推介

  古人云:三才者,天地人。相信没有人能随便成功,硕果累累离不了生长的土壤。正是有CCF HPC China大会数十年如一日的坚守如初及主办方慷慨解囊,地方政府此起彼伏的产业扶持,科研人安贫乐道的求索精神。正是这样的天时地利人和,让中国的科技领域屡屡传唱凯旋的音律。

新能源汽车被称为“未来之车”,自诞生之日起,便担负着节能减排和保护不可再生资源的职责,近年来,我国汽车制造商加大研发投入,布局知识产权,保护核心技术,助推我国新能源汽车行业驶入“快车道”。长城汽车股份有限公司是我国自主品牌汽车企业代表,一直将打造新能源汽车作为公司的创新发展方向,创建了拥有自主知识产权的纯电动的长城ME平台。该公司技术管理部副部长王笑组介绍,“三电”(电池、电机、电控)系统是新能源汽车的核心部分,ME平台围绕“三电”系统等核心部件开展平台总体布置工作,将电池包与车身底盘进行了融合设计,车身底部采用横向与纵向传力通道相结合的方式,形成一个“井”形结构,同时电池包安装梁与门槛梁之间设有缓冲区域,侧面碰撞中车身充分吸收能量,充分地保证电池包的安全。此外,ME平台对新能源汽车进行了整车低阻的轻量化设计,实现了整车的超低电耗。长城汽车深耕新能源汽车领域只是汽车行业的一个缩影,想要在未来赢得市场,打造出更便捷、更安全的新能源汽车已经成为众多汽车生产企业的共识。

除了采用新能源替代传统能源,加大技术改造力度,推动超低排放改造也是实现绿色发展的重要手段。烧结是钢铁生产中污染最严重的环节之一,铁矿石烧结产生的烟气中含有二氧化硫、氮氧化物、二噁英等多种污染物。对此,中冶长天国际工程有限责任公司自主研发活性炭烟气净化技术,能够解决钢铁烧结中多种污染物的治理问题。数据结果表明,一套拥有25件专利的烧结成套专用设备脱硫率达到98%以上,脱硝率在80%以上,并同步脱除了二噁英、重金属和粉尘,各项指标达到了国际领先水平。目前该技术成果已在宝钢本部、宝钢湛江新基地、安阳钢铁等实现了工业化应用。

“以科技创新推动绿色发展,知识产权在这一过程中扮演着举足轻重的角色。”何炼红表示,知识产权可以引领绿色技术创新,助力高质量成果的产出。通过对专利信息的深度挖掘和有效运用,可以明晰绿色技术的创新方向;通过做好专利精准布局,可以形成市场竞争优势。而对于破坏环境保护、侵害公共利益的发明创造,应不被授予专利权,由此从源头实现了专利技术的绿色和环保。“另一方面,知识产权可以促进绿色技术的转化和运用,实现技术与市场的深度融合。不管是知识产权的实施、转让和许可,还是出资、质押以及证券化,在实现技术的市场价值同时,也极大地推动了绿色产业的成长以及绿色产品的普及。”(记者 杨 柳 李 倩)

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