高端科学仪器的创新特性与产业发展思路(2)

高端科学仪器的创新需要引起高度的重视，主要是因为：其一，高端科学仪器是基础研究、应用开发、工业生产、生活消费、社会监管、国防安全等活动不可或缺的物质基础，也是重大科研仪器、大科学装置中不可或缺的组成部分，这是普通的科学仪器无法替代的。如果说科技创新在经济社会中发挥着基础的作用，高端科学仪器则是“基础的基础”，这也造成高端科学仪器经常成为国外对中国“卡脖子”的重点领域；其二，科学仪器本身是一个大的产业，在国民经济中占有一定的比重，高端科学仪器创新将带动整个科学仪器产业的核心竞争力得到提升，培育出龙头企业。例如，全球科学仪器产业的领导者赛默飞(Thermo Fisher Scientific)，历经百余年的持续创新已经成长为年营业收入超过200亿美元、员工总数超过65 000人的大型跨国公司，名列2020年福布斯全球企业榜第184位。科学仪器的门类非常庞大，包括分析仪器、物理性能测试仪器、计量仪器、天文仪器、海洋仪器、地球探测仪器、大气探测仪器、电子测量仪器、医学诊断仪器、核仪器、特种检测仪器等11大类，每个大类下又包括很多小类和不同型号的具体产品。当前，由于纳米技术、精密机械、生命科学、新材料等成果的推动，科学仪器产业在发生深刻的变化，高端科学仪器的创新应该主要集中在如下重点领域：

1)细微结构解析仪器，如透射电子显微镜、样片分析仪、表面分析仪等。

2)细微加工仪器，如光刻曝光和绘图仪器、膜加工和蚀刻类仪器、表面处理仪器等。

3)分子-物质合成仪器，如核磁共振仪、质谱仪、色谱仪、分光仪等。

4)基础研究科学仪器，如量子光电设施、超级计算机和其他尖端测量仪器等。

2 高端科学仪器的创新特性

高端科学仪器属于高端制造业和高技术产业，这个产业的创新活动除了遵循技术创新的一般规律和高技术产业创新的特点，还具有自身的鲜明特性。基于对现实案例的广泛观察，并与其他高技术产业进行对比，将高端科学仪器创新的特性归纳为如下6个方面。

2.1 与科学发展之间存在紧密共生关系

高端科学仪器创新与科学发展之间的关系，既不是一般意义上的“科学是技术的理论指导，技术是科学的实际运用[6]”的线性关系，也不是生物技术等新兴产业内科学与技术一体化、科学与商业深度融合所形成的“科学商业”现象[7]，而是紧密互利的共生关系。科学仪器创新的直接动力来自前沿科学探索对于观测和测量能力的需要，在绝大多数科学领域中，没有先进的科学仪器几乎不可能获得突破性、变革性的成果。同时，高端科学仪器创新又大大加速了科学的发展，当代科学的重大突破几乎都是直接或间接得益于科学仪器的进步(理论物理学除外)。以质谱仪为例，1912年Thomson为了研究阴极射线的组成物而将电场与磁场平行放置，使离子束偏转后打在荧光屏上造成硫酸锌感光，以便进行观察，这就是最初的简易质谱仪，Thomson也因此发现了电子。1919年Aston为了研究阳极射线中的异常分支对Thomson质谱仪进行了改进，研制出第一台精密精质谱仪，Aston因此测定出50多种同位素、制作了第一张同位素表。1935年Marttauch和Herzog提出离子束能量和方向的双聚焦理论，并研制出双聚焦质谱仪。上述事件仅是质谱仪发展历程中的早期事件，随着理论研究和科研应用的高速迭代，陆续产生了单聚焦磁质谱仪、飞行时间质谱仪、回旋共振质谱仪、电喷雾质谱仪等更先进的仪器，与质谱仪(技术)的研制和应用相关的科学成果中获得诺贝尔奖的达到11项。显而易见，高端科学仪器创新与当代科学发展这二者之间具有相当显著的互为因果、互相依赖、互相影响、不可分离的共生关系，这就决定了高端科学仪器的初始创制工作通常是在科学家群体中完成的，并在科学研究中经过探索性应用才会进入更大的商业领域。虽然“创制”并非真正意义上的“创新”，但却是高端科学仪器创新的源头。

2.2 研发过程具有强烈的异质集成性

高端科学仪器是科学、技术、生产和制造工艺等异质性知识的复杂系统集成，研发这类产品需要前沿科学理论作为指导，也离不开光学、机械、真空、电子、精密加工、材料、化学以及软件等众多技术领域的共同支撑，所涉及的技术知识和工艺方法还具有高度的缄默性和复杂性，需要长期的摸索和积累。同时，高端科学仪器研发所依据的科学理论通常会不断发展，所运用的技术、工艺也经常处于动态变化的过程中，创新主体在所需要的知识和能力方面往往也是不完备的，从而使高端科学仪器研发面临高度的复杂性、不确定性和风险性，也使得高端科学仪器很难通过反向工程进行模仿。例如，目前基因测序仪的原理主要基于Sanger发明的双脱氧链末端终止法或Gilbert发明的化学降解法(两种方法均获得了诺贝尔奖)，所运用的技术涉及生化、光、电、半导体、机械、控制、大数据等诸多领域，对于各种元器件(尤其是光学器件)的制造工艺有极高的要求。但高端科学仪器研发的异质集成特性也为创新者提供了机会，相关的科学理论、技术知识、工艺方法等任意领域的进步，都可能大幅提高仪器的性能。以质谱仪为例，1960年后在探测器、加速器、光谱学、电磁学等一系列科学技术的推动下，产生了离子共振质谱、电喷雾离子源、离子阱等新方法和新技术，持续激励了质谱仪的创新。

文章来源：《现代科学仪器》 网址: http://www.xdkxyq.cn/qikandaodu/2021/0720/535.html