地动仪原理

中国科学院云南天文台正在秘密研究“天文地动仪”,这种仪器有望破解千年地震难题——提前预测地震的到来…… 　　多功能经纬仪原理 　　(1)本项目研制的多功能天文经纬仪,是一种用于观测恒星位置的望远镜,恒星离地球非常遥远,它们在天空中的位置固定不变。 　　 处于地面某一位置的望远镜,在正常情况下,地球引力g是垂直向下的,望远镜中有个水银盘,水银面的垂直方向与引力平行指向天顶,望远镜在固定时刻观测到某一恒星在天顶位置A出现。 　　 当地下地震孕育区M受到周围应力作用,导致物质密度反常,引力方向偏移到f方向,使望远镜中的水银面指向天顶的方向发生偏移,望远镜在固定时刻观测到某一恒星在天顶的位置偏移到B,我们就可以获得偏转角θ。 　　 　　在一定区域内设置多个望远镜,在地下某一区域M的物质密度发生改变时,它会导致多个望远镜的水银面方向产生偏移,通过观测某一恒星在固定时刻的位置,可以测量引力的偏转角α和β,从而可算出密度异常区的位置。地震孕育区通常存在物质密度异常,引起地面的重力异常,该仪器能够探测产生一定程度重力异常的区域,为地震专家和政府决策提供重要信息。 　　(2)该仪器还能测定瞬时天文大气折射,建立多方位大气折射实测模型。由于以记录电磁波传播时间为基本数据的空间大地测量技术,包括卫星激光测距、全球定位系统GPS和甚长基线射电干涉测量VLBI,都受到大气折射延迟的影响,目前仅能用理论模型或经验模型作修正,导致测量距离的误差比较大。利用多功能天文经纬仪,建立天文大气折射实测模型,转换建立起大气折射延迟实测模型,它将能使距离的测量精度接近于理论精度水平。另外,研制的仪器在航天发射和国防上也有应用价值,用该仪器和相应的测量方法可以为卫星发射和导弹基地建立本地大气折射实测模型,提高卫星发射和导弹制导系统的时间、方向和定位精度。 　　去年以来,王建成就一直带着一个科研小组加班加点、夜以继日地投入到一项秘密研究课题中。 　　王建成是中国科学院云南天文台副台长。与此前的一些研究目的不同,这次虽然同样是“看天”,但最终却是为了“探地”。 　　当发现甘肃舟曲1000多人死于泥石流灾害的主要原因之一是汶川“512”地震震松了舟曲山体时,王建成心中又增添了些许沉重:“我们现在希望少受外界干扰,静心和高效地研制仪器,使仪器尽快应用和推广。”王建成所说的仪器,正是他们一年多来潜心研究、能通过寻找和监测地下物质密度的异常变化,为预测地震提供有效信息的“多功能经纬仪”。张衡发明的“地动仪”在1700年前神秘失踪,今天,云南天文专家正尝试利用一种叫做“多功能经纬仪”的仪器,用天文观测的方法对地震进行精确预报。 　　可以想见,这种“天文地动仪”一旦研制成功,将会是人类对抗自然灾害的历史上最大的一次“地震”! 　　现实 　　上天容易入地难 　　众所周知,地震预测是全世界公认的难题,预测地震的仪器都具有“不可入性”,由于地震专家不能直接观测地球内部,以致对地震的孕育过程和影响这一过程的种种因素缺乏观测数据。 　　市防震减灾局副局长靳树才介绍,一般而言,地震的震源都在地下十多公里以下,有的深达几百公里,依托现有的技术水平,要打钻下去,直接观测,基本不可能。现阶段,地震预测主要依靠电磁波、磁辐射、地下水化学分析、放射性元素、大地倾斜、重力变化等,通过综合分析各种数据来作预报。但这些数据与地震的关系都是间接的,同时受干扰因素较多。如对地下水的观察,不仅要了解地下水变化的原因,还要了解地下水所处的构造部位、水的补给源、正常动态、可能引起水位变化的降雨及工业用水、农田灌水、气候变化、季节变化、补给源变化等干扰因素,以至引起地震发生的变化量非常小,不具有独特性,很容易淹没在其它干扰因素中,要将它们有效甄别提取出来,难度很大。 　　有人说汶川地震前青蛙曾有异常行为。靳树才说,动物的异常行为和地震有关联,但没有直接的、必然的联系。青蛙行为异常完全有可能是由其他原因引起的。更何况,青蛙不会告诉你将会在哪里、什么时间、发生几级地震。 　　“我们需的是准确、科学的预报。”靳树才说。 　　启发 　　东汉“地动仪”带来灵感 　　1800多年前,在张衡所处的东汉时代,地震比较频繁。经过长年研究,张衡发明了一个测报地震的仪器,叫做“地动仪”。 　　据史书记载,地动仪是用青铜制造的,形状有点像一个酒坛,四围刻铸着八条龙,龙头向八个方向伸着。每条龙的嘴里含了一颗小铜球:龙头下面,蹲了一个铜制的蛤蟆,对准龙嘴张着嘴。哪个方向发生了地震,朝着那个方向的龙嘴就会自动张开来,把铜球吐出。铜球掉在蛤蟆的嘴里,发出响亮的声音,就给人发出地震的警报。 　　汉顺帝阳嘉三年十一月壬寅(公元134年12月13日),地动仪的一个龙机突然发动,吐出了铜球,掉进了那个蟾蜍的嘴里。当时在京师(洛阳)的人们却丝毫没有感觉到地震的迹象,于是有人开始议论纷纷,责怪地动仪不灵验。没过几天,陇西(今甘肃省天水地区)有人飞马来报,证实那里前几天确实发生了地震,于是人们开始对张衡的高超技术极为信服。陇西距洛阳有一千多里,地动仪标示无误,说明它的测震灵敏度是比较高的。 　　遗憾的是,凝聚中华民族智慧的地动仪没有保存下来,1700多年前,地动仪神秘消失。 　　“应该可以用天文观测的技术和仪器来提高地震预测的准确度。”祖先的智慧、先进的科技启发和驱动着云南天文学家投入到了看似不可能的“天文地动仪”研制中。 　　原理 　　精准把脉重力变化 　　据了解,虽然地震孕律具有很大的复杂性,但通过研究,世界各国专家普遍认为地震孕育区受多种应力的作用,积累大量能量,引起周围重力变化。监测到重力变化,就能发现地下能量的异常聚集,地震部门现在已经能用重力仪测出重力变化大小,但却测不出重力方向。 　　王建成介绍,“多功能经纬仪”这一项目是通过云南天文台独创的低纬子午环的观测原理和仪器误差测量方法,研制出一架达到高精度要求的小型、轻便、全自动的“多功能天文经纬仪”样机。这种“多功能经纬仪”本来是天文上用于精确观测恒星位置变化的望远镜,而恒星位置变化是重力变化的一面“镜子”,如果同时启动多台“多功能经纬仪”监测,就能测量出重力方向,由此寻找和监测到引起重力变化的源头,为地震专家预测地震提供可靠信息。 　　2009年1月24日和2010年2月4日,省委常委、市委书记仇和等领导在连续两次专程登门拜访中国科学院、中国工程院在昆的院士时,都对我国恒星物理研究专家、云南天文台黄润乾院士以及云南天文台副台长、项目组长王建成介绍的多功能经纬仪项目研究情况给予了高度评价和极大地支持。 　　王建成表示,项目已开始总体方案设计和研讨,今年10月底完成总体设计和论证,项目研究组正排除一切干扰,不舍昼夜、严谨高效地加紧研制,计划2011年底验收,力争早日投入应用和推广。他透露,明年底样机研制成功后,即可建立多台测量仪组成的监测网,布置到我省地震断裂带周围,寻找和监测地下物质密度的异常变化区域,通过监测地下物质密度的异常变化,为预测地震提供新的有效信息。 　　希望 　　能像预测台风一样预测地震 　　靳树才表示,感谢其他行业专家对地震预测的关注,为地震预报献计献策,身体力行地做研制工作。 　　他认为“多功能经纬仪”项目是符合科学规律的,但同时,他对引起地下重力变化的力量是否就足够使地表发生形变表示不确定。因为使地表发生形变的因素也很多,比如说重型货车经过时,在路边就能感到颠簸,这就是一种形变,重型货车对路面产生的压力都远远大于重力变化的力量。所以,这对地震观测条件提出了高要求,要尽量避开环境和人为干扰,而选择环境比较安静、工农业生产干扰小、无环境污染的地区。仪器具体安装位置要选择地质条件较好的岩石,而不是松软的土层,尽量减少干扰因素。 　　对未来能够准确预报地震,靳树才充满了信心,他说, 地震预测具有时代性。虽然很难,但随着人类科技进步,终有一天能解决。“退回200年前,台风的预测也只能凭经验,而现在什么时候登陆,在哪里登陆,都已在人类的严密监控下,因为我们有了卫星。”他说。 　　至于“多功能经纬仪”,靳树才也充满期待:“仪器究竟能发挥多大作用?现在尚不能确定。待仪器研制成功后,我们将成立专门研究小组,总结规律性东西,认真观测,积累经验,在实践中提出改进建议。”

我国地震观测仪器发展之路公元132年，东汉时期张衡发明的地动仪是世界上第一台用于探测地震动的地震观测仪器--张衡地动仪。张衡地动仪比欧洲类似的发明早1700年以上，开创了人类用仪器感知地震的先河。机械烟熏记录时期1951年，李善邦先生在I式水平向地震仪基础上，经过改进，研制成大、小51式地震仪。熏烟记录，曾在1954-1958年间使用。1955年以后的十余年时间里，由许绍灏和张奕麟研制了电子管式放大器和熏烟笔记录器与维开克地震计配合，组成581型地震仪。模拟记录观测时期STS-2 甚宽带地震计，使用三只结构完全相同，倾斜45°悬挂的机械摆在底座上按正三角形几何分布安装，可使各分向仪器参数的一致性得以提高。

p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em " 微流控芯片技术是生物医学领域的重要前沿方向，具有高通量、多靶点、快速、精准、操作简便等特点，可广泛应用于分子生物学、医药、免疫等领域。近日，复旦大学孔继烈教授就微流控技术以及其团队在微流控技术产业化方面的进展做了详细报告。 /p p style=" text-align: center line-height: 1.5em " img width=" 600" height=" 414" title=" konglaoshi.jpg" style=" width: 538px height: 362px max-height: 100% max-width: 100% " alt=" konglaoshi.jpg" src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201905/uepic/e4f38c7b-4412-4544-9896-e72e3397f81b.jpg" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: left line-height: normal text-indent: 2em margin-top: 5px margin-bottom: 5px " span style=" font-size: 14px " strong span style=" font-family: 楷体,楷体_GB2312, SimKai " 孔继烈教授简介： /span /strong span style=" font-family: 楷体,楷体_GB2312, SimKai " /span /span /p p style=" text-align: left line-height: normal text-indent: 2em margin-top: 5px margin-bottom: 5px " span style=" font-family: 楷体,楷体_GB2312, SimKai font-size: 14px " 男, 1964年生，1983-1993年分别获复旦大学学士、硕士和博士，1996-1998年分别在美国肯塔基州路易威尔大学和康州州立大学做博士后。& nbsp /span /p p style=" text-align: left line-height: normal text-indent: 2em margin-top: 5px margin-bottom: 5px " span style=" font-family: 楷体,楷体_GB2312, SimKai font-size: 14px " 复旦大学教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，复旦大学生物医学研究院PI，教育部创新科学仪器工程研究中心主任。在化学/生物传感器及微流控芯片分析系统、荧光检测仪器研制等领域取得有影响的成果，先后主持基金委重点/面上项目、“973”子课题、“863”项目等。已在包括J.Am.Chem.Soc.，Angew.Chem. Int. Ed. Anal.Chem. ACS Nano等知名学术刊物发表SCI论文330余篇，被同行引用12500余次，获得国家发明专利40余项。任《Am. J. Anal.Chem.》、《分析化学》、《分析科学学报》、《分析仪器》、《电化学》等刊物编委，中国仪器仪表学会电分析化学专业委员会副主任、化学传感器专业委员会委员。 /span /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em margin-top: 10px " span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 从“庙堂之高”的基础研究到“江湖之远”的技术发明 /strong /span /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em margin-top: 10px " 科学仪器的源头是分析化学专业，但其更多的应用在生物医药以及诊疗等领域。近年来，“精准医学”概念的出现，更是急切呼唤创新分析测量技术与仪器。“精准医学”的最核心的部分是“精准的诊断”，这也是新药研发及提出新兴治疗方案的前提。作为生物医疗领域的前端，像现在非常热门的靶向诊疗（诊疗一体化），要求首先在诊断层面明确知道是什么原因导致疾病的发生。无论是常见病症还是癌症，都需要微流控这样的技术出现。 /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em margin-top: 10px " 从宏观的层面来讲，无论是蛋白质水平相关仪器，还是核酸水平相关仪器，国产医疗器械市场占有率还很低。上海三甲医院，很多都在使用罗氏、雅培、西门子的设备。即便在生化水平，即小分子的诊断设备，国内虽有很多公司在做，但是与世界上先进设备相比，仍有很大的差距。 /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em margin-top: 10px " 从学科角度来讲，微流控技术衍生于分析化学，而无论从学科知识的构成，还是人才培养，都是多种相关学科交叉的结果。仪器的产业化是一个系统工程，要集聚非常多的交叉学科的人才，单纯依靠分析化学或者微流控技术，都不能完成一台整体的集成化设备的制造。因为这还涉及到软、硬件支持，材料学，多种加工工艺，以及越来越多的新技术（如3D打印等技术）。此外，还要有生物医学、创新诊断方法学等多方面的共同结合。 /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em margin-top: 10px " 作为高校，要集聚这么多人才进行同一个项目，非常困难。因此，国家也在鼓励创业平台，将不同领域的专业人才聚集起来，共同进行仪器的研发生产。目前，孔继烈教授与他之前指导毕业的博士们正在做这件事。 /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em margin-top: 10px " span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 微流控领域存在的“多、少”问题 /strong /span /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em margin-top: 5px " 目前，微流控技术，尤其是微流控领域的产业化还有很多问题，主要包括以下几个方面： /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em margin-top: 5px " 1、进口多，国产少。 /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em margin-top: 5px " 首先涉及到的很多器件，如光学器件、光电转换器件等，大部分性能很好的器件多来自美国、日本等国家。因此不单是整机的技术缺乏，上游的零部件技术也很缺乏。从整体来讲，现状是蛋白质、核酸检测的二类医疗器械，无论是化学发光还是电化学发光设备，大部分是罗氏、梅里埃等公司的。 /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em margin-top: 5px " 2、上游多，下游少 /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em margin-top: 5px " “上游多，下游少”是指在研究过程中，大部分研究者做的是上游方法学的研究，虽然很前沿，反映了这个学科发展最新的聚焦点，但是往下延伸的比较少。很多微流控方向的研究生，发了很多SCI文章，之后就不了了之了。 /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em margin-top: 5px " 3、前端多，后端少 /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em margin-top: 5px " 研究人员可以做方法，做技术，甚至可以搭一个装置，但是没有办法定型，也没有办法做质控的标准。比如从计量的角度，这个产品怎么检验？怎么能达标？企业标准，行业标准，甚至国家标准，这些标准全面缺乏。当然这不是一家单位就能做的，需要行业内多家单位协同完成。 /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em margin-top: 5px " 4、器件多，集成少& nbsp & nbsp & nbsp /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em margin-top: 5px " & nbsp 早些时候，很多实验室可以自行搭一台装置。例如最早在实验室做微流控，用数字化的光谱仪、光纤和光电检测器件组装而成。但是，这不是一台完整的仪器，因为无法在同一个软件中发送指令进行信号提取、信号处理和出具结果等等，这和仪器是有距离的。 /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em margin-top: 10px " span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 离心式微流控芯片核酸检测仪的技术及应用 /strong /span /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em margin-top: 10px " 离心式微流控芯片核酸检测仪（原型机）是孔继烈教授团队研制的第一代微流控设备，包括芯片系统、温度控制系统、高速旋转系统、光电检测系统等模块。研发目标是实现核酸的提取和扩增放在同一个芯片中完成，这在第一代原型机还无法实现。 /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em margin-top: 10px " 2017年，孔教授团队开始第二代产品开发，在光路、电路、信号放大、离心盘的可控性等方面进行了优化，可实现在同一个检测平台上做多种需求的靶点数、样本数的检测，如8个靶点4个通道或4个靶点8个通道或2个靶点16个通道的盘。 /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em margin-top: 10px " 第二代设备叫做核酸检测一体机，孔教授团队正在将一体机做成三类医疗器械——将来可以和医院检验科对接的设备，在30分钟内完成样本前处理，包括细胞的破碎，DNA的释放，原位扩增及检测。对于传统PCR 检测是革命性的突破。 /p p style=" text-align: center " img title=" 微流控仪器.png" style=" max-height: 100% max-width: 100% " alt=" 微流控仪器.png" src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201905/uepic/359c57f2-bd60-495c-a1ba-48c0da7b540e.jpg" / /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em margin-top: 10px " 从方法学的角度来讲，该设备融合了很多基础研究的成果，包括蛋白质、DNA的纳米分子诊断技术、微流控驱动技术、集成技术、区域精准控温技术、高敏荧光检测技术、微流控盘快/慢速切换技术，可实现多模块集成工作。 /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em margin-top: 10px " 该设备的应用方向十分广泛，包括公共卫生、食品安全、检验检疫、以及基于微流控的免疫抗原抗体反应等等。已开发的典型的应用案例如下： /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 0em margin-top: 10px " 1、8种不同种属肉的同时溯源，特异性和灵敏度非常高。 /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 0em margin-top: 10px " 2、非洲猪瘟特异性检测，可做到高通量现场快速筛查，灵敏度达到10个拷贝。 /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 0em margin-top: 10px " 3、转基因大豆检测，可以很快完成多种转基因亚型的溯源。 /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 0em margin-top: 10px " 4、降钙素原（PCT）微流控免疫检测，是针对临床感染的蛋白质指标的新型检测方式，目前检测灵敏度显著高于传统同类仪器。 /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em margin-top: 10px " span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 结语 /strong /span /p p style=" line-height: 1.5em text-indent: 2em margin-top: 10px " 早在东汉时期，张衡就发明了候风地动仪。 strong 然而近代以来，中国的科学仪器发展却落后于世界上许多国家。这要求相关研究人员，不仅要专注于创新基础研究，更要积极促进仪器产业化，追求知行合一”，推动国产科学仪器的发展。 /strong /p