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北京大学科技成果汇编(2)

工业制造与机电

摩擦发电机

项目概述

利用能量采集技术,从生活和自然环境采集能量为电子设备供能,是近些年学术界和产业界的研究热点。包括IBM、三星(Samsung)、富士通(Fujitsu)等很多业界巨头都非常重视能量采集技术的研发,投入了大量资金开发各种类型的微型能量采集装置。但目前仍然处于原型研发阶段,鲜有相关产品面世或推广,其中较为突出的是日本精工。精工公司将惯性能量采集器集成于石英表中,开发了人动电能自充电手表(Seico Kinetic),目前已在全球销售逾1000万只,销售额逾20亿美元。

应用范围

微型能量采集技术面对的几乎是一个全新待开发的产业,主要针对分布式无线传感网络(以物联网为主导)、可植入式医疗器件、自供能传感系统、可穿戴电子设备及便携电子设备等应用领域。上述领域中包括手机、平板等便携电子设备的庞大市场毋庸赘述,而无线传感网络、可植入式医疗器件、可穿戴电子设备等。

1手持电子设备的电能补充:可给智能手机、平板电脑、电子书等手持设备的电池充电,使手持电子设备超长待机或免充电。例如:

  • 制成透明薄膜与触屏结合,当触动屏幕时产生电量,给屏幕供电,多余的电量可以给自身电池充电,平时感受外界震动产生电能给自身电池充电;

  • 制成手机充电后盖与手机充电电路连接,直接给手机电池充电;

  • 制成独立的手机充电外壳或扁平充电模块粘贴到手机后面,通过USB给手机充电。

    2便携机的供电:在便携机键盘下方放置这种微型震动能量采集器阵列,与电脑充电电路连接,当敲击键盘时给便携机充电。

    3物联网领域:各种物联网传感器的供电(例如交通监控、动物放养跟踪、田间管理、洋流/水系监测、气象探测、环境监控等)

    4其它领域:发电地板、发电鞋底、医疗、自供电玩具、TPMS(胎压检测)等。

技术优势

微型震动发电机基于摩擦生电原理,采用微纳复合结构的表面材料以及独创的单面摩擦技术,显著提高了发电机的输出性能,其输出电压高达465V,输出电流达到120uA,功率密度为60mW/cm3,无需任何外接电路,即可成功驱动200个以上的并联商用LED工作。加工方法基于较为成熟的FPCB技术,成本低、效率高且适宜于大面积加工和大批量生产。

技术水平

申请国际专利4

一种折叠式微型震动发电机及其制造方法,国际申请号:PCT/CN2013/071363

一种单摩擦表面微型发电机及其制造方法,国际申请号: PCT/CN2013/072522

一种震动发电机及其级联结构发电机,国际申请号:PCT/CN2013/071372

一种微纳集成发电机及其制备方法国际申请号:PCT/CN2013/00398

    申请中国发明专利10

一种折叠式微型震动发电机及其制造方法,申请号:201310021766.3

一种单摩擦表面微型发电机及其制造方法,申请号: 201310032306.0

一种震动发电机及其级联结构发电机,申请号:2013100221442

一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机,申请号:201310099750.4

一种微纳集成发电机及其制备方法,申请号:201010530458.9

一种基于纳米摩擦发电机的主动式可视化湿度检测系统,申请号:201310317692.8

一种高性能纳米摩擦发电机的制备方法,申请号:201310319347.8

压电摩擦复合式微纳发电机及其制备方法,申请号:201310024565.9

一种r型复合式微纳发电机,申请号:201310297913.X

一种基于横向摩擦的单表面摩擦发电机及其制备方法,申请号:201310293792.1

正在撰写的国际专利2

拟申请的中国发明专利8-10

研究所处阶段

未来23年内项目技术研究开发要做的工作及预期达到的效果。

未来23年内项目技术将主要进行如下三方面研究开发:

  1. 完善微型发电机后端能量管理和存储,实现高效率的AC-DC转换,为电子设备提供完整的自供能方案。

  2. 对现有知识产权内已开发的几种微型发电机原型进行改进,以现有结构设计为基础,从材料、结构机械性能、封装等方面进行更深入研究开发,提高微型发电机性能及使用寿命。

  3. 利用现有工业研究成熟且广泛运用的柔性印刷电子、纳米压印、注塑成型等制造工艺,开发具有工业生产规模的微型摩擦发电机的制造方法和设备,实现对微型摩擦发电机高效,低成本,高产率,高重复率的制造。

市场状况及市场预测

市场及其支撑技术目前正处于萌芽或发展阶段,未来35年将是其快速成长期,具备极强的增长潜力。

投资与成本估算,效益分析

过去2年项目研究开发经费投入情况。

  • 材料及微纳米制造:30

  • 制造及测试仪器设备:40

  • 器件设计、开发:80

  • 知识产权保护:20

  • 计划未来3年内投入研发800万元,主要用于开发大规模生产设备、处理电路和自供电产品的生产与测试。预计实现销售1000万元,净利润200万元。

项目所需投资额、融资用途,估值情况及其他投资条款要求。

计划寻找项目支持和风险投资1000万元,技术估值待定。

合作方式

初步计划只授权不转让。


固态纳米孔芯片加工和生物单分子检测

项目概述

本项目依托北京大学物理学院纳米结构与低维物理实验室,该实验室是固态纳米孔在国内研究的开创者,具有国际一流的科研实力。实验室掌握了各种先进的纳米孔器件制备技术,通过一系列可兼容的半导体微纳加工工艺,可以批量,大规模,可控的实现芯片级别(4英寸,包含500600个纳米孔芯片)的纳米孔芯片加工。其中,纳米孔通过透射电子显微镜中高能电子束制备,尺寸在2100 nm区间精确可调,可控精度高达1 nm。纳米孔通道厚度在2080 nm间精确可控。通过膜片钳技术和成熟泳池封装技术,可实现成功率在96%以上的单分子检测。在成熟开展SiN纳米孔芯片加工和检测技术基础上,拥有精确,可控加工更为先进的石墨烯纳米孔器件方法,纳米孔尺寸在250 nm精确可调,厚度从110 nm可调。

通过引入压强的技术(已申请三项专利),可以大幅提高纳米孔芯片探测分辨率,实现对短链,不同长度分子区分,以及近中性分子检测。可实现尺寸在10 nm以上单分子(DNA,蛋白,RNA)等不同生物分子的检测,可实现长度,单双链,尺寸,二级结构,表面修饰等多种信息的识别、区分及检测。此外,还可实现不同生物分子(如蛋白等)的带电量测量和测算。

项目优势

利用创新性的将压强引入到纳米孔中的技术,可将单分子检测时间分辨率提高13个数量级,逼近DNA测序所需要求,同时保持了很高的测量信噪比和分子捕获率,是本领域内一大突破。利用该技术可实现对不同长度的分子检测和近中性(或带微弱电荷)的生物分子检测;并且还可实现单分子捕获-释放-再捕获过程,进行对单分子的精确操控。并且还可实现单分子的电荷测量和计算。

专利情况

1. 核酸分子在固态纳米孔中的减速方法(专利号:201210039855.6)鲁铂,赵清,俞大鹏(发明专利);注:此专利与美国哈佛大学共同申请、共享。

2. 一种基于固态纳米孔对核酸分子进行减速及单分子捕获的方法(专利号:201210065833.7)赵清,鲁铂,俞大鹏(发明专利);注:此专利与美国哈佛大学共同申请、共享。

3. 一种基于固态纳米孔对核酸分子进行减速及单分子捕获的方法(PCT国际申请,国际申请号PCT/CN2012/000840) 赵清,鲁铂,俞大鹏(发明专利);注:此专利与美国哈佛大学共同申请、共享。;注:此专利与美国哈佛大学共同申请、共享。

4. 一种基于纳米孔器件对生物分子探针标定DNA的特异位点进行检测的方法 (专利号:201210207703.2)鲁铂,唐智鹏,赵清,俞大鹏(发明专利)

未来可能获得24项基于该技术的发明专利,包括对单分子带电量的测算技术,利用电泳胶提高探测时间分辨率的技术,纳米孔表面修饰技术以及与生物膜蛋白进行融合等方面的先进技术。

项目所处阶段

基于(生物/固体)纳米孔的单分子检测技术被认为是第三代测序技术最具希望突破的单碱基分辨高速低成本测序技术之一,一旦获得实质性突破,将带来人类医学/医疗与健康的革命,市场前景与价值无可估量。本项目基于有限目标的固体纳米孔芯片的加工制造与销售、修饰单分子DNA/RNA快速低成本检测上。目前,国内行业内基于该项目的产品以及其应用服务尙处于空白阶段,但国外相关公司牛津纳米孔Oxford Nanopores Inc.)正进行应用领域的研发(主要是快速低成本的基因组测序整体解决方案研发)。所以,前期核心纳米孔芯片在进入国内外市场时将无竞争压力,可以灵活应对市场需求,发掘潜在客户。作为新型的单分子分析测量手段,纳米孔芯片将在国内外相关高等科研院所具备较高的潜在需求,市场规模十分可观。预计未来三年内行业需求将增长迅速,具备非常大的增长潜力。

1. 未来23年,拟开展将生物膜蛋白(具有天然纳米孔道)移植到固态纳米孔芯片器件上,利用后者溶液稳定性和前者对生物分子很好的生物相容性,开展单分子检测以及尝试性基因测序研究。预期达到比现有技术更高的检测分辨率和尝试性实现对4中不同碱基的分辨。

2. 开展在DNA等长链分子表面的特定位点进行修饰,通过识别修饰的相对位置和大小,预期可探测到基因突变在单分子水平上二级信号的差异,帮助从单分子水平上识别、诊断早期的基因疾病。

3. 继续完善石墨烯纳米孔的加工制备技术,找到合适的表面修饰方法,结合电泳胶方法减速分子,利用石墨烯超高空间分辨率,攻克检测单链DNA分子并尝试分辨碱基的技术堡垒。

项目所需投资额及用途

过去2年项目研究开发共投入科研经费近200万元,包括购置两台膜片钳测试系统,纳米孔芯片加工制造所需仪器设备使用费,加工测试费,实验用各种小型仪器设备,所需源材料、试剂、耗材费用等。

未来3年项目研发生产投入情况及收入、净利润等主要科目的财务预测:所需设备包括计算机、分析表征设备(透射电子显微镜)、微纳加工平台等。部分设备可以使用公共科研平台。项目研发生产投入在300万~500万元。前期每个封装完成的固态纳米孔核心器件成本100元,售价200400元,每年600010000个,则利润在60万以上。

后期提供的完整解决方案,包括单分子电量测试设备以及第二代基因组测序后端数据连接服务,总体利润在500万以上。

项目所需投资额大约在500万元左右,用于纳米芯片加工中用到加工设备使用费,技术服务费,加工测试费,研发用小型仪器设备,各种材料、耗材、试剂等。

合作方式

技术合作或技术咨询。


医药与器械

VMAT肿瘤放射治疗计划解决方案

项目概述

恶性肿瘤对人类的危害日益严重,2008年全球恶性肿瘤死亡人数达760万,已超过艾滋病、疟疾和结核病死亡人数总和。近年来,恶性肿瘤已成为中国居民的第一死因,每年死亡人数达180万。随着诊断技术的迅速提高,肿瘤能够在更早的时期被检测到,因此,提高各类肿瘤的局部控制技术成为了当代肿瘤治疗的核心所在。

放射疗法是利用呈光子形式的电离射线(χ-射线和γ-射线)来杀死癌症患者的恶性和良性肿瘤细胞的一种疗法。在中国,将近70%的癌症患者将放射疗法作为主要治疗方式,或者将其与外科治疗或化学疗法相结合。电离射线通过损伤被放射区域的DNA从而造成细胞死亡,因此,放射疗法的目标是最大化施于肿瘤细胞的放射剂量以便杀死所有肿瘤细胞,同时最小化周围健康组织(危及器官,OARs)的放射剂量。

弧形调强治疗(Volumetric Modulated Arc Therapy,下文简写为VMAT)是目前最先进的放射治疗技术,其计划系统一直由国外厂商提供。北京大学工学院精益生产与管理实验室所涉及的VMAT放射治疗计划解决方案,旨在为VMAT放疗设备提供高质量的治疗计划,弥补国内技术的空白。该解决方案包括计划模型和优化算法两个部分,计划模型涵盖了临床中常见的剂量分布约束、多叶准直器约束和直线加速器约束,基于嵌套分割框架(Nested-Partitions)的优化算法能够在短时间内计算出高质量的放疗计划,并且满足临床剂量分布。

应用范围

VMAT放疗计划解决方案能够应用于弧形调强治疗设备,通过通用数据接口实现计划系统软件与放疗设备硬件的通信和交互。目前弧形调强治疗仍属于全新的技术,国内三甲医院已经开始普及,本实验室已经于北京大学肿瘤医院建立了良好的合作关系,本技术在国内三甲医院中有着广阔的应用空间。而随着弧形调强治疗的普及,本技术的应用空间会进一步扩大。

技术优势

本实验室及其合作单位推出的VMAT放疗计划解决方案具有以下竞争优势:

(一)优化技术确保领先地位

在本技术中,NP优化算法框架被成功的应用在放射疗法逆向治疗计划优化的过程中通过对几十例实际临床病例进行统计研究,统计结果表明相对于传统的逆向治疗系统,本技术在治疗计划的精确性和高效性两方面都具有显著优势。

基于NP的放疗优化技术已成功申请美国专利,专利编号为:US7876882。同时荣获美国医学物理师年会(AAPM)最佳论文奖。

(二)强大的研发团队及合作医院

本技术研发团队由北京大学工学院精益生产与管理研究所、北京大学肿瘤医院联合组成。本团队依托于北京大学工学院工业工程与管理系,充分借助北京大学世界领先的研究成果和公共研究平台,发挥高层次人才资源优势;同时,以北大肿瘤医院放射科为试点,形成集研发、设计、生产、销售于一体的高新技术产业链。

技术水平

本技术在国内外均属于最新型技术,处于学术界和工业界前沿。与同类技术的对比表明,本技术在生成计划时间和计划质量两个关键指标上均处于该领域前列。本技术的相关成果已经以论文形式发表于IEEE国际会议上,并即将在IEEE顶级期刊上发表。

研究阶段

本技术目前正处于实验室阶段,即将与北京大学肿瘤医院机进行技术对接。

市场状况及市场预测

目前,我国死亡病因中位列首位的就是恶性肿瘤。据全国肿瘤防治办公室和卫生部疾病控制司统计,目前我国恶性肿瘤患者总数约600万人,平均每年新增恶性肿瘤患者约210万人。自1970年以来,我国恶性肿瘤死亡人数一直呈持续增长趋势。早在2006年,我国因癌死亡人数已经达到300万人左右,0-64岁居民中每死亡4人至少有1人死于恶性肿瘤。随着我国人口持续增长、人口老龄化、环境恶化及生活方式的变化,我国恶性肿瘤的发病率将在相当长时期内保持高发势头。

放射治疗是治疗恶性肿瘤的重要手段之一,放疗技术的迅速发展大大提高了肿瘤的治愈率或延长了病人的生存期。当前约有45%的恶性肿瘤可以治愈:22%为手术治愈,18%为放射治疗治愈,5%为药物治愈。放射治疗是当今治疗恶性肿瘤最常用的方法之一,其中中国的肿瘤患者约有70%接受放疗,日本约有50%,美国则在50%60%

1)癌症发病率上升与医疗资源集中导致肿瘤治疗的需求缺口大

随着我国人口持续增长、人口老龄化、环境恶化,我国恶性肿瘤的发病率将在相当长时期内保持高发势头。在我国癌症发病率和死亡率快速上升的背景下,位于中心城市的大中型医院和肿瘤专科医院仍无法满足癌症患者日常治疗的需要,重大疾病看病难的矛盾依然尖锐,肿瘤治疗服务的需求存在较大的缺口。

2)肿瘤精确放射治疗优势导致需求上升

基于本技术所开发的产品致力于为全国各大医院肿瘤放射科提供更为精确、高效的放射治疗计划。根据目前的肿瘤放射疗法现状,由于传统商业治疗计划系统所提供的治疗计划精确性非常有限,强烈的副作用为采用放射疗法的患者带来了极大的痛苦;同时,传统商业治疗计划系统的效率非常低,严重影响各大医院放射科的资源利用及收益创造。

基于肿瘤治疗发展对于治疗计划的精准性和高效性越来越迫切的需求趋势,肿瘤精确放射治疗优化解决方案具有广阔的市场前景。

截止2010年,,全国二级及以上医院为7756家,其中放疗单位突破1000家,而大部分医院尚未配置高端肿瘤精确放射治疗设备及软件。

根据市场分析,不考虑未来新技术、新设备投入市场和患者数量递增的趋势,仅以当前二级及以上医院的采购需求计算,高端肿瘤精确放射治疗设备及软件的市场容量超过10亿元。其中华北地区、华东地区及中南地区占据4/5,东北地区、西南地区及西北地区分占1/5

投资与成本估算,效益分析

经过财务测算和分析,本技术正常生产年份营业收入5025.0万元,年销售税金及附加54.0万元,年利润总额2181.5万元,年税后利润1636.1万元,所得税545.4万元。公司投资利润率23.41%,投资利税率31.52%,销售利润率34.12%,税前财务内部收益率为37.26%,税后财务内部收益率为28.75%,税前财务净现值(i=10%7609.4万元,税后5220.4万元;税前投资回收期4.98年,税后投资回收期5.68年,其中均含建设期12个月。

合作方式

希望与具有技术和资金实力的企业进行产学研合作。

所需费用

本项成果将本着市场和成本相结合的原则进行科学定价,既要考虑产品的物料、生产和人力等成本,还要增加产品的价格市场竞争力。

 


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