天津大學(xué)合成生物技術(shù)全國重點實驗室里，元英進（中）正在與學(xué)生們討論。

項目式課程中，學(xué)生們進行“意念控制小球”實驗。

大型地震工程模擬研究設(shè)施開展水下振動臺懸索橋試驗。 　　以上圖片均為天津大學(xué)提供

　　在天津大學(xué)建校130周年之際，習(xí)近平總書記給天津大學(xué)全體師生回信強調(diào)：“新起點上，希望你們堅持以新時代中國特色社會主義思想為指導(dǎo)，聚焦國家重大戰(zhàn)略需求，深化教學(xué)科研改革，加強基礎(chǔ)研究和科技攻關(guān)，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，更好服務(wù)經(jīng)濟社會發(fā)展，為建設(shè)教育強國科技強國、推進中國式現(xiàn)代化作出新的貢獻?！?/p>

　　近年來，天津大學(xué)錨定教育強國、科技強國建設(shè)目標(biāo)，堅定走好人才自主培養(yǎng)和科技自立自強之路，在科研攻關(guān)、學(xué)科建設(shè)、人才培養(yǎng)方面不斷取得新突破。

　　場景一：

　　“問題還是從國家需求、行業(yè)發(fā)展中來”

　　來到位于天津大學(xué)的國家大型地震工程模擬研究設(shè)施（以下簡稱“地震大裝置”），最直觀的感受是什么都很“大”：31米的室內(nèi)凈高，兩臺吊重500噸的雙梁橋式起重機橫跨42米，大型地震模擬振動臺的“基座”深埋于18米深地下，臺面載重能力抵得上20多輛卡車。長95米、寬69米的水池內(nèi)，世界上唯一雙臺地震、波浪、水流聯(lián)合模擬試驗裝置可以在3米深的水下工作……

　　項目成員、天津大學(xué)國家地震工程科學(xué)中心副研究員劉銘劼正在為年底前進行的試驗做準(zhǔn)備。“像這樣的試驗，準(zhǔn)備周期是以‘星期’為單位計算的?！眲憚陆忉?，之所以周期長，是因為地震大裝置承載的任務(wù)很“重”。比如，模擬振動臺就可以讓一棟7層樓高的建筑經(jīng)歷一場“地震”。

　　為什么要“造地震”？劉銘劼介紹，地震工程的研究方法主要包括理論分析、試驗研究、數(shù)值仿真等，但地震真正發(fā)生時，往往會有意想不到的情況。因此，振動模擬即“人造地震”，是目前研究工程結(jié)構(gòu)抗震性能最直接有效的試驗方法。

　　然而，此前國內(nèi)外已有的地震模擬設(shè)施，由于規(guī)模較小或功能單一，難以滿足公共安全與工程建設(shè)重大需求。

　　天津大學(xué)建設(shè)如此大規(guī)模的裝置，在全世界都沒有先例。批復(fù)立項后，一系列技術(shù)挑戰(zhàn)擺在了團隊面前：幾十套液壓作動器要解決控制問題、承載試件臺體要滿足剛度強度要求、加載頻率受限、流固耦合場景復(fù)雜……“我們的大科學(xué)裝置要解決既有設(shè)施無法解決的問題，一定要有突破性的技術(shù)?！眻F隊成員楊政龍說。

　　比如，一個物體要實現(xiàn)大幅度運動，它的頻率就不會很高，這是物理學(xué)上的限制。為了讓振動臺同時具備兩項能力，團隊在全球首創(chuàng)了“雙六自由度疊加復(fù)合振動臺系統(tǒng)”?！拔覀冊O(shè)想讓這套系統(tǒng)上面專門‘跑’高頻，下面專門‘跑’長行程，然后兩個‘疊加’。”技術(shù)負責(zé)人吳昊說。

　　團隊心里也沒底。這樣的“疊加”，難度不是“加法”，而是“乘法”。劉銘劼回憶：“硬件我們需要找廠家聯(lián)合攻關(guān)，算法代碼我們要從頭寫。正式建設(shè)前，還要在小一點的振動臺上反復(fù)試驗?！?/p>

　　那幾年，團隊成員們經(jīng)常起早貪黑，“泡”在實驗室里寫代碼，在廠家車間盯進度，吃住在建設(shè)現(xiàn)場，都是常事。他們自主研發(fā)的氣枕式防水結(jié)構(gòu)，解決了水下振動臺密封難題；多項關(guān)鍵技術(shù)沒有成熟配套，均由團隊自主完成“最后10%”優(yōu)化……

　　從2019年開工到2024年投用，項目團隊用5年左右的時間，實現(xiàn)了對國外同類型設(shè)施的超越，成為能復(fù)現(xiàn)幾乎所有地震場景的大科學(xué)裝置。

　　攻關(guān)歷程也讓劉銘劼對“有組織科研”有了更深層次的理解。項目團隊涵蓋天津大學(xué)水利工程、土木工程、船舶與海洋工程及自動化、通信、機械、計算機、材料、管理等多個學(xué)科，5年多時間里，每周一次的工作推動會幾乎雷打不動。

　　大科學(xué)裝置要建好，更要用好。投入運行以來，項目團隊積極拓展應(yīng)用場景，從工程領(lǐng)域向工業(yè)產(chǎn)品抗震測試拓展，自身角色也在從“采購方”向“服務(wù)提供方”轉(zhuǎn)變。

　　“建設(shè)這樣的大科學(xué)裝置，是有各種節(jié)點的，可以‘拆解任務(wù)、倒排工期’?？墒堑搅诉\行階段，科學(xué)研究的難點、行業(yè)痛點在哪里，我們還要主動深挖解決。問題還是從國家需求、行業(yè)發(fā)展中來?！眲憚抡f。

　　場景二：

　　“往往更加看重學(xué)生提出問題、解決問題的能力”

　　“神經(jīng)信號織成網(wǎng)，意念欲把小球掌。”20名大一學(xué)生各自的“意念”穿過電路，讓風(fēng)洞中的小球穩(wěn)定懸浮……這是天津大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院的腦控實驗室里，全國首屆腦機接口專業(yè)方向的首門項目式課程中的一幕。

　　課堂上，每位同學(xué)都需要自主設(shè)計搭建一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，大家“腦洞大開”，各自完成了自己的技術(shù)“進化”，設(shè)計出來的系統(tǒng)也是各有所長——

　　劉同學(xué)設(shè)計的系統(tǒng)能通過外置OLED屏實時顯示腦電波的FFT頻譜；段同學(xué)的腦電采集系統(tǒng)擁有逼近理想仿真結(jié)果的帶通濾波和陷波性能；蔣同學(xué)的控制模塊可以讓風(fēng)洞小球在±2毫米的超低誤差內(nèi)懸浮……

　　“這樣的項目式課程，腦機接口專業(yè)方向一共開了4門，除了‘認(rèn)知增強的意念小球’，還有‘生理信號無線采集系統(tǒng)’‘腦控機器人’‘腦機智能融合系統(tǒng)’?！碧旖虼髮W(xué)醫(yī)學(xué)院副院長、教授楊佳佳介紹。

　　依托未來技術(shù)學(xué)院的跨學(xué)科平臺，腦機接口專業(yè)方向聯(lián)合醫(yī)學(xué)院、智算學(xué)部、機械學(xué)院、微電子學(xué)院的師資開展項目式課程，將神經(jīng)科學(xué)、工程設(shè)計、電子電路、信號處理等傳統(tǒng)知識模塊重組為“腦機接口全技術(shù)鏈條”知識和技能體系。

　　天津大學(xué)是全國新工科建設(shè)工作組組長單位。近年來，天津大學(xué)迭代升級新工科方案，構(gòu)建面向未來的人才培養(yǎng)新范式。

　　“新的專業(yè)、新的教學(xué)模式，老師們也需要把大量精力投入到課程設(shè)計和指導(dǎo)實驗上去。”楊佳佳說，“我們往往更加看重學(xué)生提出問題、解決問題的能力。”

　　場景三：

　　“在基礎(chǔ)前沿領(lǐng)域探索，離不開良好的團隊氛圍”

　　走進天津大學(xué)合成生物技術(shù)全國重點實驗室，各種自動化設(shè)備不停運轉(zhuǎn)，有的走廊過道也成了不少學(xué)生的臨時工位。

　　今年7月，天津大學(xué)合成生物技術(shù)全國重點實驗室發(fā)布了Mb（百萬堿基對）尺度人類基因組的從頭合成組裝、跨物種轉(zhuǎn)移與功能重塑的最新成果。近年來，該實驗室在基因組設(shè)計合成、人工細胞構(gòu)建、DNA數(shù)字信息存儲等前沿領(lǐng)域不斷取得突破。

　　如果說，基因組測序是“讀懂”基因，基因組合成就是“編寫”基因。2011年，國際科學(xué)合作項目“釀酒酵母基因組合成計劃”啟動，這是人類首次嘗試改造并從頭合成真核生物，其重要性不亞于上世紀(jì)的“人類基因組計劃”。

　　當(dāng)時，合成生物學(xué)發(fā)展還處于早期階段，國內(nèi)這方面研究基本上是空白。“合成生物學(xué)專業(yè)到底是什么、具體怎么做，全世界都知之甚少，因為它太前沿了?！碧旖虼髮W(xué)合成生物學(xué)系主任、教授吳毅說。

　　中國科學(xué)院院士、天津大學(xué)教授元英進卻敏銳察覺到該領(lǐng)域的潛力。在他的倡議和推動下，2012年起，天津大學(xué)開設(shè)了構(gòu)建人工基因組的本科生課程。

　　“像造房子或者造汽車那樣，先‘燒制’出磚頭或者零件，然后再按照規(guī)則組裝起來最終形成產(chǎn)品，運用工程學(xué)的一些方法來研究生物學(xué)……”元英進認(rèn)為，發(fā)展合成生物學(xué)既符合學(xué)科發(fā)展趨勢，也暗合學(xué)校的“工科基因”。在為人工合成染色體“添磚加瓦”的過程中，學(xué)生們也逐漸培養(yǎng)起科學(xué)精神、科研能力。

　　當(dāng)時還在讀本科的吳毅，就是“釀酒酵母基因組計劃”項目團隊的一員。在合成長達770kb（千堿基對）10號染色體的過程中，他和團隊創(chuàng)建了基因組缺陷靶點快速定位與精確修復(fù)方法，解決了全化學(xué)合成基因組導(dǎo)致細胞失活等難題。2017年，他以第一作者的身份，在《科學(xué)》上發(fā)表了項目成果。而在同期雜志發(fā)表論文的作者中，有幾十名曾與他一同加入這門課程的本科生和研究生。

　　從開啟基因組重排這一全新研究領(lǐng)域，到發(fā)現(xiàn)不同尺度人工基因組重排的雜合性缺失現(xiàn)象；從電能細胞設(shè)計構(gòu)建到創(chuàng)新DNA存儲方案——近年來，天津大學(xué)合成生物學(xué)領(lǐng)域得到長足發(fā)展。近期，元英進帶領(lǐng)團隊，實現(xiàn)了Mb尺度的高度重復(fù)人類基因組序列精準(zhǔn)合成。國家自然科學(xué)基金委員會還對天津大學(xué)“長片段DNA高精度合成系統(tǒng)”項目進行了現(xiàn)場考察，該校在合成生物學(xué)高端科研儀器國產(chǎn)化方面又邁出關(guān)鍵一步。

　　“在基礎(chǔ)前沿領(lǐng)域探索，離不開良好的團隊氛圍。元英進老師一直強調(diào)讓學(xué)生有充分的自主權(quán)。對學(xué)生的進展他總是很關(guān)心，及時給予正向反饋，對錯誤他又十分包容?！眳且阏f。

　　當(dāng)年做釀酒酵母基因合成時，吳毅就經(jīng)常冒出大膽的想法?！斑@個序列有問題了，大家就說你一段一段地‘修’。我提出能不能把一段好的、一段不好的拼接起來‘修’？元老師鼓勵我去試試，‘這樣你就能節(jié)省半年的時間’，后來我真的成功了?！?/p>

　　幾年前，還在讀博士的吳毅第一次做學(xué)術(shù)報告，就是在一個比較重要的國際學(xué)術(shù)會議上。“元老師對我說，‘從你站在講臺上的那一刻起，你就具備這樣的能力了’。”

　　如今作為實驗室主要研究者，吳毅自己也帶學(xué)生。他說，自己看重學(xué)生是否有“發(fā)自內(nèi)心的興趣”，更看重他們的心態(tài)?！皬牧闫鸩降秸驹谑澜缜把兀覀儸F(xiàn)在要做的更多是前人沒有做過的事，做基礎(chǔ)研究要有主動性，要做好‘打硬仗’的準(zhǔn)備?！?/p>

　　《 人民日報 》（ 2025年10月27日 17 版）

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