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春華秋實,“載荷”博士成長記

——記北京理工大學2014級生物醫學工程博士生楊春華

供稿: 黨委宣傳部 韓姍杉、王征 學生記者 靳睿鈺 攝影: 新聞中心 斯君 生命學院 編輯: 韓姍杉
(2019-04-18) 閱讀次數:
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  實驗室、食堂、宿舍,晨出晚歸,三點一線;操作實驗、整理數據,發現問題、解決問題,周而復始,循序漸進……“神八搭載”“長七搭載”“天舟搭載”“SpaceX龍飛船搭載登陸國際空間站”,親手研制載荷,四次登入太空,親歷中美太空合作“零的突破”,參與中國空間生命科學研究的多項第一……這是北理工博士楊春華的生活,平而不凡,充實滿滿。

  楊春華,北京理工大學生命學院2007級本科生、2014級生物醫學工程博士生,12年的北理生涯,使他從良鄉校區的首屆本科生,成長成為我國空間生命科學研究一線的青年人才,勤奮拼搏,春華秋實。 

“小本”扛大任

“神舟八號”飛船搭載微流控芯片基因擴增裝置

  “今天,我們召開的是神舟八號飛船搭載微流控芯片基因擴增裝置空間載荷項目的每周例行會議,歡迎新來的同學加入項目組!”回想起本科時自己第一次得知即將參與重大科研項目的場景時,項目負責人生命學院鄧玉林教授的話語讓楊春華記憶猶新。“當時的心情很忐忑,覺得不可思議,但是又非常向往!”

  空間載荷,一般指的是航天器上裝載的為直接實現航天器在軌運行要完成的特定任務的儀器、設備、人員、試驗生物及試件等,是航天器在軌發揮最終航天使命的一個重要分系統。

  2010年10月,距離中國“神舟八號”飛船發射僅有一年的時間,北理工爭取到在此次發射任務中搭載科學載荷的機會——將自主研制的基因擴增裝置送入太空,以實現中國首次太空基因擴增實驗。雖然,那時的北理工在空間生命科學研究領域上還是一名新兵,但在學校深入推進新興交叉學科建設的背景下,北理工深厚的工程基礎和醫工融合的深度交叉,形成了鮮明的特色與優勢。

  機會總是垂青有準備的人,彼時還是大三學生的楊春華因為參加北京市大學生電子設計大賽,結識了自己之后的導師李曉瓊。雖然是本科生,但楊春華生物醫學工程的專業背景,以及在硬件設計、軟件開發方面的興趣和基礎,特別是細致縝密的性格,引起了李曉瓊的特別關注。

  “有一段時間,李老師總會給我布置一些小課題,但是和當時的研究關聯并不大。”加入課題組之初,楊春華帶著一股北理工人的執著精神,認真完成老師布置的每個“超綱題”,一步一步拓展知識面、提升能力,也一步一步走進了國家“大項目”。“后來才發現,那些小課題其實都是之后空間載荷項目會遇到的技術問題,老師可能也是在借此考察和培養我,但我當時完全不知情。”

  基因擴增,原理類似于DNA的天然復制過程,分為94℃的高溫變性、50℃到60℃的低溫退火和72℃的中溫延伸三個階段,若想在太空中實現,可謂困難重重。首先,實驗必須在載荷裝置內自動完成,由于受到發射要求和航天器空間條件限制,載荷裝置必須滿足嚴苛的搭載條件,其大小限制在15.0cm長、14.4cm寬、16.0cm高之內,重量須小于3Kg,還要經受住發射沖擊和太空輻射,實現在微重力條件下的正常工作。在如此狹小的空間內,要將基因擴增芯片、供電電池及控制系統等所有部件置于其中,真可謂是“螺螄殼里做道場”。

楊春華與項目組部分師生在“神舟八號”酒泉衛星發射中心現場

  對于楊春華這個“小本”來說,如何在有限的資源條件下實現快速精準地溫度控制是一項不小的挑戰。“剛開始擴增芯片的升降溫過程就有問題,常規的加熱膜等材料效果都不理想,后來我們發現一種半導體熱電組件,既可以加熱又可以制冷,是個不錯的選擇。”但是,科研的道路從沒有一帆風順,為了節約研發成本和加快研發進度,載荷前期測試使用的都是普通直流電源,當換上定制的航天專用電池時,載荷的升溫裝置失效了。此時,已經進入載荷正樣件環境測試的關鍵階段,如果無法快速解決問題,載荷上天勢必受到影響。

  時間緊迫,已容不得任何試錯,年輕的楊春華作為該環節的主要負責人,頂住壓力,迎難而上。在冷靜思考后,楊春華經過多次測試后發現,升溫能力不足的原因是載荷各金屬材質部件的良導熱性以及定制的化學電池自身負載能力有限。在虛心求教一番之后,楊春華對癥下藥,為載荷溫控組件與承載結構之間增加了特定材質隔熱片,最終成功解決了問題,并實現了升溫與降溫性能的良好平衡。“那段時間就跟魔怔了一樣,吃飯時想、睡覺時想,白天與工人師傅一起在車間搞加工,晚上再和團隊花長時間測試,還好最終圓滿解決了問題,沒有延誤項目進度。”每當回想起自己第一次參與載荷項目就碰上嚴峻挑戰,楊春華還是唏噓不已。

  2011年11月1日清晨,伴隨著“神舟八號”飛船成功發射,由北京理工大學作為總體牽頭單位設計制造的“微流控芯片基因擴增裝置”終于遨游太空,實現了北理工實驗裝置載荷登入太空、中國微流控芯片技術太空應用、中國在空間環境下開展基因實驗三項“零的突破”。

  “在北理工,重大科研任務向來是培養人才的沃土,是培養一流人才的堅實基礎。”生命學院黨委書記周連景這樣談到。如果說有機會參與“神舟搭載”是人生給予楊春華的饋贈,那抓住機會、奮進而行,則離不開一份態度、一份拼搏。  

醫工融合顯優勢

  科研無疑是一條艱辛有余、追求無涯的道路,鮮花與掌聲的背后是辛勤研究與日夜思索。在第一次參與空間載荷任務之后,楊春華便將空間生命科學載荷研究作為了自己執著追求的方向。2011年,楊春華憑借出色的學習成績,保研本校繼續學習。2014年,楊春華又成為一名生物醫學工程專業的博士生,師從國際宇航科學院院士鄧玉林教授。

  在讀研期間,楊春華相繼參與了2016年6月“長征七號”運載火箭首飛搭載“空間細胞和微生物培養實驗裝置”、2017年4月“天舟一號”貨運飛船搭載“空間微流控芯片生物培養與分析載荷”的研制任務。難得的實戰鍛煉,楊春華不僅迅速成長成熟,并且充分發揮自己扎實的醫工融合專業背景,成為團隊優秀的青年骨干。

“天舟一號”空間微流控芯片生物培養與分析載荷交付前加樣操作

  在“天舟搭載”任務中,北理工的載荷實現了在同一種營養基里同時培養兩類細胞,以模擬太空環境中人體的“腦血屏障”,這對航天員生命健康研究具有重要意義。“由于“天舟一號”貨運飛船最終要墜入大氣層燒毀,并不返回地面,這就要求載荷裝置必須做到在軌監測和數據回傳,也就是要實現真正的太空全自動化實驗與檢測,挑戰不小。”李曉瓊介紹到。

  在生命學院鄧玉林教授的帶領下,北理工團隊從零開始設計研制高度集成和自動化的全新空間實驗載荷裝置。此時,經歷過兩次發射任務的楊春華,作為團隊中的絕對主力,不僅參與方案設計,完成模型驗證,還擔綱完成了載荷裝置所有的生產測試任務。

  “在‘天舟一號’項目中,我確實感覺自己生物醫學工程專業的交叉融合背景,優勢明顯,給了我很大幫助。”楊春華回憶。在那次項目中,微流控芯片中培養的多種細胞,一類處于懸浮狀態,而另一類則處于貼壁狀態,要想觀察各種細胞在空間環境下的形態變化和遷移情況,并研究其相互作用效應,就必須要同時觀測清楚所有細胞不同階段的生長狀態。“在這個項目中,需要由團隊生物技術組的研究人員提出在軌試驗的詳細需求,再由載荷技術組的人員逐一完成支持相關功能的硬件及軟件設計,這個時候,交叉學科的背景發揮了很好的作用。”楊春華既具備生物學科知識背景,又掌握了工程化實現方法,他創新思路,經過不斷優化改進,最終與團隊設計出了一套集溫度控制的可自動化分層調焦的在軌顯微觀測系統,很好地解決了這一難題。

  “堅持面向醫工融合的新興交叉方向培養人才,楊春華就是學院人才培養的優秀成果。”生命學院院長羅愛芹介紹到。功夫不負有心人,在“天舟一號”搭載項目研制總結評審會上,北理工載荷被給予“最先進最復雜的空間生命科學實驗載荷”的高度評價,高科技含量、高實施難度、完全自主研制的背后,北理工團隊卻只有十幾個人,這樣的成績令業界同行側目。

國際空間站載荷交付前測試

  完成“天舟一號”載荷任務后不到半個月,楊春華和伙伴們又跨越太平洋,連續作戰,交上了另一份滿意的答卷。2017年6月6日,由北京理工大學研制的“空間環境下在PCR反應中DNA錯配規律研究的科學載荷”搭乘SpaceX公司“龍飛船”,成為首個登入國際空間站的中國空間科學項目,標志著中美空間科學合作取得了“零”的突破,引發國際關注。 

小載荷的大堅持

  “楊春華已經熟知了國內和國際常規科學實驗載荷項目的實施流程及相關航天產品的質量管理辦法,他是我們團隊的一個寶!”作為北理工空間生命科學研究帶頭人的鄧玉林教授對楊春華的稱贊毫不吝惜。這不僅僅源于楊春華在科研學術上過硬的實力,更是對他在工作上認真的堅守、“舍我其誰”的責任心最為直接的贊美。

楊春華在空間模擬艙為課題組同學講解生物實驗平臺關鍵技術

  “過師兄這關,從來都是我們各階段工作的最后一道工序。”與楊春華同一個實驗室的博士生樊云龍這樣形容,“無論是寫文檔還是出圖紙,只有他審核通過,我們才會心里有底。而他也從不會計較我們拿給他看的東西是否與他有關,只是盡可能地為我們提供幫助。”

  “上天的事不能出半點差錯!”這是楊春華經常掛在嘴邊的話。無論參與載荷哪個部分的研究工作,楊春華都會嚴格按照時間節點,對整個工作過程的不同階段,撰寫詳盡的設計報告和分析報告,將出現的問題徹徹底底探討清楚,同時為其他同伴闡明整個裝置的詳細狀態。面對科研任務,楊春華始終銘記自己代表的是北京理工大學,一絲不茍、精益求精。“從本科時候開始,認真負責就是楊春華的突出優點。”學院黨委副書記、楊春華本科時的輔導員郭惠芝這樣評價。

  除了科研上的嚴謹細致,楊春華做起組織管理工作來,也是運籌帷幄。2017年2月到5月,正是“天舟一號”貨運飛船搭載試驗項目最后的沖刺階段,也是國際空間站搭載試驗項目的關鍵實施階段。同時作為兩個載荷任務團隊的骨干力量,楊春華當時面臨著一系列完全陌生的挑戰。那段時間楊春華的主要任務是在海南文昌發射場確保“天舟一號”試驗載荷順利通過整船系列綜合測試任務,帶領北理工發射場試驗隊完成生物樣品加注操作、驗收交付及裝船工作,以及最后的測試發射任務,并協助北理工北京飛控中心試驗隊完成后續飛控任務。與此同時,楊春華還需要與國際空間站搭載試驗項目團隊一同推進載荷正樣產品的測試工作、實驗物資跨國運輸以及發射場前期測試工作等,并負責與美方技術團隊的溝通工作。說起那段時間的經歷,楊春華笑稱再沒有比這更緊張刺激的了。

  “如果楊春華愿意,完全可以過上不一樣的生活,向他伸出橄欖枝的單位不在少數,高薪高待遇也不是問題。”李曉瓊這樣評價道。在空間生命科學研究領域,擁有良好的專業背景,并歷經多次發射實戰磨礪,楊春華的履歷背景可謂難得。然而,“北理工烙印”鮮明的楊春華,不受外界叨擾,謙虛謹慎搞研究,踏踏實實投身服務國家重大戰略需要的事業中,一步一個腳印地朝著夢想前進。這份“大堅持”為身邊師生所欣賞佩服。

  “如何更好地進行資源分配,讓后來的人不像我們這樣艱難,讓后續的工作更加高效,更好地服務國家重大戰略,是我除研究外經常會想的事情。”面向未來,在研究中不斷學習積累、經受住層層考驗的楊春華,多了一份沉穩與大氣。“每一個北理工人都有一顆報國心!”

  

  “所有的工作成果都是整個團隊共同努力的結果,而我只是剛好都參與其中。”談起自己的“載荷”經歷,楊春華謙遜靦腆。

  朝氣蓬勃,于喧囂中安定地前行,不驕、不躁、不慌、不忙,楊春華這位普通的北理工博士生,用一串扎實的奮斗腳印、一道亮麗的成長軌跡,寫就自己的精彩青春。

 

相關鏈接:

【科技日報】楊春華: 搭太空“便車”做實驗

【中國科學報】楊春華:“載荷”博士成長記

 


(審核:肖雄、周連景)

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