教育縱深丨學科調整“芯”突破

現如今，智慧的車距離我們的生活越來越近。輪胎作為車輛唯一接觸路面的部件，在智慧交通中扮演重要角色。在山東科技大學，有一支交叉學科組成的科研隊伍，正嘗試為輪胎裝上“大腦”，借助傳感器讓輪胎像人類皮膚一樣可以靈敏感受微小形變，實現高靈敏毫秒級和胎紋級的輪胎動力學參數測量。這一創新面臨哪些挑戰，又是如何一步步走進現實的？它將會給我們的生活帶來哪些改變？

交叉學科獲批

今年9月，國務院學位委員會發布《關于下達2024年度動態調整撤銷和增設的學位授予點名單的通知》，其中，山東科技大學獲批集成電路科學與工程碩士一級學科。該學科的獲批，實現了學校交叉學科門類一級學科的突破，進一步優化了學校學科布局，為學校推進學科交叉融合、創新人才培養、更好地服務國家和區域經濟社會發展需求提供了有力支撐。

集成電路是信息時代的“工業糧食”，小到手機、家電，大到超級計算機、衛星通信，都依賴于“芯片”。集成電路學科該如何破解“卡脖子”難題？交叉融合又怎樣激發創新火花？

“現在數據很正常，1秒鐘大約1.5個脈沖，剎車的數據也有，保持一下速度的穩定。”在山東科技大學，一場智能輪胎的測試正在緊張進行。山東科技大學電子信息工程學院院長陳達在車上緊盯著手上的電腦屏幕。

陳達表示，調整了傳感器和整個的電路系統之后，整個測試系統比原來穩定得多。在之前，經過顛簸路段和側傾路段后會有信號丟失、丟包的情況，從這次測試結果來看，這種情況已經很少發生。

聰明的輪胎如何打造

山東科技大學電子信息工程學院研發的用于輪胎健康監測的柔性形變傳感系統，相當于給車安上聰明的輪胎，輪胎的數據能及時傳輸到電腦上，為保證輪胎健康提供數據支撐。

別看現在數據采集順利，在項目研究之初，如何給柔軟的輪胎安上數據采集器，就是個“老大難”。

據賽輪集團技術研發中心總經理助理姚冰介紹，目前市面上的智能輪胎，大多是對氣壓和溫度進行常規監測，要想讓輪胎更聰明、更智能，就需要基于力學信息測量它的應變。測量應變需要應變傳感器，因為輪胎滾動過程中橡膠會發生柔性旋轉，一般傳感器在測量中容易破碎，而山東科技大學的柔性傳感器技術剛好貼合輪胎這種柔性體。

山東科技大學電子信息工程學院長期致力于交叉學科建設，建立了一支結構合理、創新能力較強的學術隊伍，聚集“集成電路設計與設計自動化”“集成電路制造工程”“集成納電子科學”等學科方向，開設“集成電路+材料”“集成電路+人工智能”“集成電路+控制”等交叉課程模塊，推動學科跨界創新。

其中，科研團隊研發的基于碳納米管的柔性可拉伸傳感器就是融合創新的代表之一。這種傳感器具有高穩定性和超靈敏特性，應用于智能手套等可穿戴設備，解決了傳統硬質傳感器的穿戴不適性和信號干擾問題。

看中山東科技大學在柔性可拉伸傳感器領域的科研實力后，賽輪集團與山東科技大學電子信息工程學院科研團隊進行了產學研合作。

山東科技大學電子信息工程學院集成電路系副主任劉一劍說：“柔性的形變傳感器，一般采用對形變敏感的納米材料。但這種非常敏感的材料，它的可靠性、穩定性會受到一定限制。而在長期多次的輪胎沖擊過程中，納米的結構會發生變化，可能會出現信號畸變、零線漂移等現象?！?/p>

如何讓敏感的材料不嬌弱？這個問題始終困擾著研發團隊，直到一次“集成電路+材料”交叉課程的刻蝕實驗，讓他們“靈光一閃”。

山東科技大學電子信息工程學院研究生杜小鵬在做刻蝕實驗時，突然想到：如果將柔性傳感器與硅片一起刻蝕的話，對柔性傳感器會有什么樣的影響？

經過測試，杜小鵬發現，柔性傳感器在可靠性方面有了很大的提升。后續經過多次實驗，他發現，傳感器經過100萬次循環拉伸，信號依然沒有明顯衰減。

據劉一劍介紹，在對納米材料進行表面刻蝕清洗的過程中，碳管和襯底與等離子體進行反應，在表面進行等離子體處理，經過處理的敏感導電網絡，可以實現將納米材料固定到襯底上，并且仍然具有靈敏性。

蜘蛛網帶來的靈感

材料問題得以解決，傳感器的耐用性得到提升，但反映輪胎形變的效果卻并不理想。

檢測輪胎形變的時候，有一個關鍵的問題：如何用一個形變網絡大面積地傳感各個地方的形變分布？正當研發人員百思不得其解時，在散步時看到的一張蜘蛛網激發了他們的靈感——蜘蛛網也有一個很大的面積，但是一只蜘蛛就可以來測整個面積的微小的形變。

“我們完全可以通過仿生技術把一個蜘蛛網形狀的導電網絡鋪設在輪胎內部，進而有效感知輪胎內側的形變分布?！碧岬竭@個“意外之喜”，劉一劍難掩興奮。

有了仿生技術的靈感之后，科研團隊人員憑借激光打印大型圖形的技術優勢，經過上千次實驗，做出海量圖形設計，最終從中選定4組共32個蛛網傳感器的結構。經過實際測試發現，其靈敏性和可靠性都非常出色。

據山東科技大學電子信息工程學院教師宋戈介紹，把這4組傳感器均勻地部署在輪胎內壁上，傳感器的重量就能實現均勻分布。但這32路傳感器接入采集板以1K赫茲的采集頻率采集數據時，出現了新的挑戰——這么多傳感器、這么高的采集頻率，所產生的大量數據勢必影響傳輸速度。于是，研發人員通過在本地對數據減負，進行減負后再傳輸，實現在不影響輪胎動平衡的前提下可靠、穩定傳輸大量數據。

六邊形戰士

有了高速數據傳輸的加持，這套輪胎柔性傳感系統對微形變的靈敏性達到與人類皮膚相當的水平，系統實現了高靈敏毫秒級和胎紋級的輪胎動力學參數測量，結合人工智能算法和大模型，能夠對路面信息和輪胎的工作狀況進行智能識別。

眼下，科研團隊正在瞄準傳感器與輪胎一體化方向發力，為產業化應用持續攻關。

據陳達介紹，這個項目最開始是國家重點研發的一個子課題，后來被列入“青島市重點專項”，由企業牽頭，學校負責傳感器的部分，企業負責整個輪胎制造和生產的部分以及應用的部分。這套系統的穩定性、可靠性能夠滿足輪胎長時間轉動時接受地面數十萬次沖擊的要求，是在靈敏性、線性度、可靠性、穩定性、快速性和智能化方面表現突出的“六邊形戰士”。

這樣一個成果是通過材料、機械 、電子計算機等多個學科的交叉來完成的，學科交叉為解決產業中的真問題提供了真方法。經過3年2000多次的實踐，實現了以少感多、以軟補硬、以算補衰的效果。

企業對這一科研成果的應用前景也充滿信心，據賽輪集團技術研發中心總經理助理姚冰介紹，在大型礦山上的很多車都是無人駕駛的，長時間運轉過程中輪胎會生熱，導致輪胎疲勞、損壞、失效，甚至出現爆胎等各種各樣的情況，這個時候智能輪胎如果能夠提前預警，比如在達到一定溫度后，提醒司機和車隊需要休息幾個小時，能延長輪胎使用壽命。

電子傳感器讓智慧的輪胎成為可能，這只是山東科技大學電子信息工程學院交叉學科廣闊應用前景的冰山一角。

以賽促學長本事

為了打造具有行業特色的集成電路學科人才培養基地，學院還特別注重發展個性化、多元化交叉人才培養模式。這幾天，山東科技大學電子信息工程學院研究生劉子旋正在實驗室里跟團隊一起優化算法和硬件設計，打算“以老帶新”幫助團隊沖擊接下來的比賽——他們團隊去年剛剛斬獲全國大學生集成電路創新創業大賽二等獎。

談及這次獲獎經歷，劉子旋印象十分深刻：“以前我們都是只寫代碼或者只做硬件，而這次是理論、實踐相結合。無論是算法、軟件撰寫，還是到最后整個系統集成到硬件，全都由我們團隊自己執行，我感覺這種經驗還是非常寶貴的。”

為以賽促學，學院打造了24小時不打烊的創新實驗室，除了免費提供賽事需要的硬件設備，還為每位學生配備專業導師，提供一對一指導。學院學生在科技創新競賽方面取得顯著成績，近五年來累計獲獎2645項，其中國家級獎項387項、省級獎項2258項。

山東科技大學電子信息工程學院集成電路系主任王立華說：“通過比賽促進學生們的專業學習，通過賽前訓練提高他們的專業能力，能夠全面地提高他們的實踐能力，對學生將來就業以及讀研是非常有幫助的。我們有好多這樣的學生，特別是在全國電子設計競賽獲國獎的同學，畢業以后進入華為、騰訊等一線大廠，能力得到認可?！?/p>

人才培養貼合產業需求

除了在科技創新競賽中磨練本領，學校還深入產業用人需求，與駐青企業打造海信班、芯恩班、歌爾班等企業特色班，讓學生在生產研發一線學得真本事。

海信集團顯示事業部招聘專員董妍君表示：“今年是海信班運營的第四年，每年我們會在機電學院等9個學院遴選優秀同學組建海信班，人數為30到40人，進行為期一年的培養。通過校企合作、展廳參觀、課題教研、企業走進學校等活動，來幫助同學更好地提高職場競爭力。”

通過研究生聯合培養、企業虛擬班、課程體系優化和實驗室共建、認證培訓等形式，學校與海信集團、芯恩半導體、歌爾微電子、阿里平頭哥、龍芯中科等頭部企業進行深度合作，通過“集成電路通識教育”為區域集成電路產業鏈的大量崗位培養多學科交叉人才，助力規模企業實現人才本地化，目前已為青島市培養集成電路產業急需的集成電路人才200余名。

發揮高校新工科專業優勢

為充分發揮高校新工科專業優勢，11月14日，山東科技大學牽頭成立山東省高校新工科服務山東產業發展聯盟。山東科技大學副校長薛慶忠表示，接下來，學校聚焦集成電路、人工智能量子科技、高端裝備、新能源新材料等關鍵領域，構建“政產學研用一體化”協同創新機制，為服務國家重大戰略與山東“十強產業”需求提供堅實的科技和人才支撐。

近年來，山東科技大學堅持以國家戰略和社會需求為牽引，優化調整學科布局，大力推進學科交叉和交叉學科建設，培養了大批社會急需的復合型人才。山東科技大學的實踐啟示我們，教育、科技、人才已經成為支撐引領高質量發展的關鍵要素。高校作為教育、科技、人才發展的重要交匯點，要深刻把握三者內在一致、相互支撐的邏輯關系，堅持把教育作為科技創新、人才培養的先導性支撐，把科技作為教育變革、人才成長的重要牽引，把人才作為科技進步、教育發展的關鍵力量，為強國建設、民族復興偉業作出新的更大貢獻。