高端科学仪器的创新特性与产业发展思路

李天柱， 高皓天， 王亚东

(辽宁科技大学 工商管理学院， 辽宁 鞍山 114051)

科学仪器是人类观察新现象、获取新数据、发现新机理、揭示新规律的重要物质基础。对于大多数学科而言，科学仪器的水平在相当程度上左右了学科发展的主动权和制高权。在诺贝尔自然科学类成果中，物理学奖的68.4%、化学奖的74.6%和生理学或医学奖的90%是借助各种先进的科学仪器完成，或直接与新仪器方法或功能的发展相关[1]。同时，科学仪器在生产和生活中的应用极为广泛，在国民经济中同时具有很强的前向关联性和后向关联性，为其他产业的创新发展提供关键支撑。不夸张地说，科学仪器产业的创新能力强弱，对科学、技术、产业、经济、社会，乃至国家安全等具有全方位的重大意义。

1998年国家自然科学基金委员会设立了科学仪器基础研究专款项目，标志着中国将发展科学仪器置于战略地位。2011年，分别由国家自然科学基金委和科技部管理的“国家重大科研仪器设备研制专项”和“国家重大科学仪器设备开发专项”设立，形成了高端科学仪器从原创性研究到工程化和产业化的政策主线。2020年3月，科技部等五部门印发《加强“从0到1”基础研究工作方案》，《方案》明确提出大力支持高端科学仪器的自主研发与创新。在国家自然科学基金委、科技部等的推动下，中国的科学仪器产业发展取得了长足的进步，但与发达国家的差距仍然非常明显，特别是高端科学仪器的自主化程度很低。以分析检测仪器为例，近年来中国产品的销售额仅占全球销售额的0.3%，且绝大部分为中低档产品，高端仪器装备主要依靠进口，生物医学仪器对进口的依赖程度更为严重，高端医疗仪器则基本被国外垄断[2]。虽然科学界、产业界和政府对中国科学仪器产业的发展高度关注，但相关研究主要聚焦在科学仪器(平台)共享、重大科研仪器项目管理、国外科学仪器资助政策的总结比较等方面，对科学仪器产业本身的创新规律却缺乏专门的研究。

本文认为，中国科学仪器产业的发展应该特别关注两个方面：一是“高端”，因为中国在科学仪器的源头创新和关键技术上的能力相对薄弱，只有大力发展高端科学仪器才能带动整个产业的发展，打破国外垄断，改变被“卡脖子”的不利状态；二是“创新”，此处所说的创新是指经济学意义上的创新，而并非习惯上理解的“科学仪器创制”，其核心是科学仪器最新研制成果的商业化，只有这样才能集聚各方资源，促进整个行业形成良性发展的有利态势。基于上述考虑，本文在对高端科学仪器进行理论界定的基础上，总结归纳高端科学仪器创新的特性，进而针对现阶段中国科学仪器产业发展提出若干思路建议。

1 高端科学仪器

科学仪器是指科学技术上用于检查、测量、控制、分析、计算和显示被测对象的物理量、化学量、工程量和生物量等性质的器具或装置[3]。在现代汉语中，“高端”一词是指“等级、档次、价位等在同类中较高的”。高端科学仪器就是指在科学仪器中那些等级、档次明显为高的仪器(及元器件)，当然其价值也是极高的。高端科学仪器的“高端”可以归纳为“五高”，分别是科学含量高、制造技术高、工艺水平高、精密程度高、性能指标高。与高端科学仪器在内涵上最为接近的是先进科学仪器。先进科学仪器是指原理上先进、技术上创新且用以研究国际前沿科学问题的中型科学仪器设备[4]，因此先进科学仪器在其产生之初无疑属于高端科学仪器。但高端科学仪器的范畴要大于先进科学仪器，很多通用型、普及型的科学仪器如果具备了“五高”的特点，同样属于高端科学仪器，如ABI(Applied Biosystems)公司制造的PCR仪。同时，先进科学仪器应该是一个动态的概念，随着技术的扩散，很多先进科学仪器可能会成为常规、普及的仪器，但其中的等级、档次较高的仍然留在高端科学仪器的范畴。

重大科研仪器和大科学装置是另外两个需要与高端科学仪器进行区分的概念。根据国家自然科学基金委员会的规定，重大科研仪器是面向科学前沿和国家需求，对促进科学发展、探索自然规律和开拓研究领域具有重要作用的原创性科研仪器与核心部件。重大科研仪器通常是系统集成的结果，其中创造性组合了已有的科学仪器，也会有针对性的研制若干先进科学仪器，因此和高端科学仪器的概念之间存在交叉重合的部分。如国家重大科研仪器研制项目“单细胞时空分辨分子动态分析系统”，就涉及单细胞电化学测量、单细胞光谱成像、单细胞质谱成像等模块的研制、各模块功能的耦合和优化以及系统的总装。大科学装置(中国常称为“国家重大科技基础设施”)是指为了提升探索未知世界、发现自然规律、实现科技变革的能力，由国家统筹布局，依托高水平创新主体建设，面向社会开放共享的大型复杂科学研究装置或系统，是长期为高水平研究活动提供服务、具有较大国际影响力的国家公共基础设施[5]。虽然大科学装置的运行离不开科学仪器的支撑，但显然与高端科学仪器并无必然的联系。

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。

2.3 性能改进依靠高频迭代

高端科学仪器的性能改进是在实际应用中通过高频迭代过程实现的，这种高频迭代是创新的必然规律，无法规避。高端科学仪器的初始性能就要求达到相当高的水平，否则无法满足特定科研课题的需要，因此高端科学仪器的初次迭代就是在较高层次上开始的。进入商业领域之后，高端科学仪器的应用迭代频率会大幅提高，这是由于科学研究、工业生产等领域对观测、测量等能力的追求是无止境的，而高端科学仪器又是满足这些要求的前置条件。以基因测序仪为例，虽然其应用仅有数十年而已，在总体上却已经形成代际发展的特征，依次为强调高准确性的第一代基因测序仪、强调高通量的第二代基因测序仪、强调长读长的第三代基因测序仪，和强调低成本的第四代基因测序仪。由于产品性能的高频迭代可以持续强化竞争优势，这就敦促致力于高端科学仪器创新的企业在其内部更加重视产品的性能迭代。以色谱仪为例，20世纪80年代高效液相色谱仪成为主流，相关企业大量推出创新产品，产品的迭代更新非常迅速，岛津公司在不到十年中就推出了十代高效液相色谱仪产品。

2.4 市场采纳具有突出的马太效应

用户在选择高端科学仪器时，关注的主要是性能而非性价比，以满足对于更高的测量、观测能力的不懈追求，那些得到用户青睐的产品往往来自技术领先、性能出众，并且在行业中处于领导地位的品牌，而不是性价比最高的产品。由此带来的连锁反应是，处于领先地位的科学仪器品牌和产品更容易获得在实际应用中迭代改进的机会，这又会进一步提高这些品牌产品的技术和性能，强化在行业中的领导地位和影响力，使高端科学仪器在市场采纳方面形成强者恒强的马太效应。以四极杆气相色谱-质谱仪(GC-MS)为例，1981年Finnigan公司开发出全球第一台商品化三重四极杆质谱仪，此后一直引领GC-MS的前沿，成为大学、科研机构、企业优先采购的对象。1990年Finnigan加入赛默飞公司，产品创新进一步加速，1999年引入直型预四极杆设计推出Trace系列GC-MS、2002年推出当时灵敏度最高的GCMS-DSQ、2006年推出配备DuraBrite离子源和DynaMax XR检测系统的DSQII、2007年推出三重四极杆的TSQ Quantum系列、2010年推出ISQ系列单四极杆GC-MS、2012年推出全球首台真空锁设计的TSQ8000、2018年推出ISQ7000系列单四极杆GC-MS和TSQ9000三重四极杆GC-MS。Finnigan(赛默飞)推出的每款GC-MS产品都得到用户的青睐和市场的热烈反应，这也为公司提供了对产品进行持续改进的机会，以不断强化在GC-MS领域的领导地位。

2.5 价值创造倚重服务化运作

高端科学仪器由于价值高昂，本身就能为创新者带来巨大的经济利润，如Illumina公司推出的基因测序仪Hiseq X ten，单台售价超过1 000万美元。在此基础上，创新者还可以通过与仪器相关的服务化运作获得更大的价值。在相对狭义的服务化范围内，创新者通过出售与仪器相配套的耗材(如基因测序仪的试剂)、零配件、维修服务、软件服务等获得收益，这些服务的价值同样非常高昂，而且创新者可以长期从中攫取价值。此外，由于国际巨头垄断了高端科学仪器的市场供应，这些企业有可能通过逐步提高服务价格、设置霸王条款等方式获得更高的利润。仅以核磁共振仪为例，部分国外企业的维修维护类收入超过了其在我国大陆销售总收入的30%，且逐年增长[8]。在更为广义的服务化范围内，创新者可以利用自身在高端科学仪器上的优势能力与其他创新主体开展纵向或横向的合作，获得更大规模的价值。Illumina公司近年来就利用其在基因测序产业链上游(基因测序仪)的霸主地位，全力向中下游服务市场延伸，如2016年与梅奥医院共同开拓基因异常的检测服务、2017年联合飞利浦为肿瘤学提供整合基因组学服务、2018年1月与我国金域医学共同开发新型的肿瘤学和遗传病检测应用、2018年2月与Harvard Pilgrim合作开展新一代无创产前检测服务、2018年3月与中国中源协和联合开发首款亚洲人群数据芯片ASA基因检测产品，等等。

2.6 创新扩散主要面对团簇型市场

高端科学仪器广泛应用于科学、技术、产业、经济、社会、安全等不同领域，但却主要是在团簇型市场中实现创新扩散的，这经常使创新者陷入左右为难的窘境。科学仪器具有多重属性，它既是工具，也是科学探索和认识世界的手段。仅就工具属性而言，科学仪器是测量工具，在某些情况下还可以是生产工具，例如扫描隧道显微镜是观察分子原子的测量工具，也是操纵分子原子的生产工具。因此当一项高端科学仪器创新发生以后，具有在诸多不同领域内得到应用推广的潜能，意味着高端科学仪器的创新扩散能力应该是很强的。但是，高端科学仪器主要面对专业性市场而非大众市场，这样的市场呈团簇型并且规模相对稳定，每个市场的需求量往往很有限(虽然产品和服务的价值很高)，个别高端科学仪器在特定市场内的全球需求量甚至仅有十几台或几十台而已，如超级计算机。高端科学仪器创新主要在团簇型市场中扩散的特性意味着，创新者可能无法运用规模经济来抵消创新成本，但高端科学仪器性能改进的高频迭代特性和市场采纳的马太效应特性又决定了，创新者必须要持续进行高强度的研发投入，保持高速的创新节奏。这种令创新者左右为难的特性对于经过长期积累已经确定了行业领先优势的创新者而言，是阻挡竞争对手、避免被模仿的壁垒，但对于试图实现创新追赶的后来者而言，却进一步加大了创新的不确定性和风险性，必须经过严密的战略设计才有可能突破这种障碍。

3 高端科学仪器的发展思路

中国在高端科学仪器产业发展方面与发达国家存在较大的差距，而作为科研大国、工业大国和消费大国，中国拥有庞大的科学仪器市场，尤其是对高端科学仪器需求强烈，这就决定了中国必须将发展高端科学仪器产业置于重要的战略地位。基于前述理论归纳，结合中国的实际国情，为加速中国高端科学仪器产业的创新发展可以采用如下思路。

3.1 鼓励“中国首创”

在汉语语境下，“首创”是指最先创造、创始的意思，强调“中国首创”是促进高端科学仪器产业创新的基本要求。由中国最先创造或改进的科学仪器不仅能够打破外国垄断，更能在市场采纳中占据先机，获得应用迭代的初始条件，进而为借助马太效应实现持续创新和市场扩散奠定基础。由于高端科学仪器创新的初始动力通常源于基础研究领域和科学家群体，是为了解决特定科学问题而创制出新型仪器或对现有的仪器做出原创性改进，因此，“中国首创”的重点是鼓励科学家投身于高端科学仪器研制并为其提供有力的支持，国家自然科学基金委、科技部等设立的国家重大专项被证明为行之有效的手段。未来需要进一步扩大支持力度和支持范围，应该特别重视鼓励以企业为主体、由产业科学家主持的高端科学仪器创制工作。实际上，企业历来是高端科学仪器创新的重要力量，扫描隧道显微镜等重大科学仪器就是由IBM等注重基础研究的企业的科学家所研发的。

3.2 引导“科学-商业”接力创新

接力创新是指由能力显著异质、优势明显互补的不同主体分别承担创新链上不同环节的任务，以“接力”方式依次完成一项创新从构思、研发、生产到商业应用等活动，最终实现创新价值的过程[9]。接力创新适合成为指导中国高端科学仪器创新的重要理论依据。综观主要高端科学仪器产品的发展历程，不难发现这些科学仪器最初都是在科学环境下产生的，但后期则进入到商业环境下，由企业对其进一步完善并实现大规模的商业化，质谱仪就是典型例证。中国必须将引导从科学到商业的接力创新过程作为促进高端科学仪器产业发展的主要思路，鼓励承担科学仪器创制项目的科学家团队，通过合适的方式与企业之间形成接力合作的组织模式，科学家团队负责完成初始的创制工作并提供后续的指导，而企业在科学家工作的基础上负责进一步完成商业化，双方可行的接力方式包括技术转让、授权许可、市场合作开发、科学家自主创新等。为了对“科学-商业”的接力创新提供强有力的引导，国家自然科学基金委等项目发布部门甚至可以在申报要求中规定，申请者需要预先给出接力创新的候选伙伴和预计的接力合作方式，以防止高端科学仪器的创制成果成为“睡美人”。

3.3 支持应用迭代

应用迭代在高端科学仪器产业发展中具有关键意义，这不仅是由于应用迭代是性能改进的必经道路，也是由于应用迭代与打开市场需求、实现市场采纳之间存在紧密的互动关系。由于中国在高端科学仪器产业发展方面还处于追赶的阶段，相关创新产品获得市场采纳的障碍是现实存在的，加之高端科学仪器的创新扩散主要在团簇型市场之中进行，因此在实际应用中实现高频迭代的难度是现实存在的。建议中国在不违反WTO规则的前提下，针对中国首创的科学仪器在研发和商业化等方面给予适当的补贴，从而增强国产科学仪器的市场竞争力。补贴的强度应该超过高端装备制造业、生物技术产业、芯片等新兴产业，因为没有高端科学仪器产业的创新，上述新兴产业的发展也将受制于人。同时，在政府采购、企业采购、大学和科研机构采购等方面也应该规定，在技术水平相当的情况下优先采购国产品牌和产品，并根据采购额给予一定比例的补贴或奖励等。

3.4 重视跨国技术并购

高端科学仪器创新所涉及的知识中，很多都是需要经过长期摸索和积累才能获得的缄默性知识，并且往往被发达国家企业严密保护起来。中国企业实施高端科学仪器创新无法跨越缄默性知识的积累过程，除了在“中国首创”的科学仪器中可能具有先发优势之外，在绝大多数科学仪器领域中国企业要实现创新追赶，都必须着力解决技术能力积累的难题。跨国技术并购是中国企业获得缄默性知识的重要手段。由于国外企业在高端科学仪器创新中也无法脱离本文归纳的创新特性，同样面临高度的不确定性和风险性，一些国外企业可能在高端科学仪器研发方面具有很强的技术能力，但由于商业化策略等因素的影响，创新失败的也不在少数。我国企业可以选择其中技术先进、能力互补的企业，通过技术并购获得目标企业的缄默性知识，快速跨越技术能力积累过程。在这方面，中国已经有典型案例可供参考，华大基因就是通过并购美国CG公司获得了新一代基因测序仪的技术能力，很快开发出临床应用型测序仪BGISEQ-500等创新性的产品和服务，打破了Illumina公司在基因测序仪领域的垄断和威胁[9]。在华大并购CG的过程中，Illumina公司和美国媒体甚至宣传将CG卖给华大等于同泄露了“可口可乐秘方”，这也从侧面反映了通过国际并购获得高端科学仪器技术能力的价值所在。

3.5 挖掘服务化创新机会

如前所述，服务在高端科学仪器的价值创造中占有重要地位，中国的很多企业可能暂时还无法在高端科学仪器的研发环节媲美国外企业，在短期内也难以完成创新所需的缄默性知识和技术能力的积累过程，但在高端科学仪器的服务化运作环节却有很多可以利用的机会。作为价值高昂的产品，高端科学仪器对零部件供应、维修保养、附属设施、试剂耗材、配套软件等不仅需求很大，而且这些需求是长期存在的。中国企业可以从这些相关的服务环节入手，发现通过服务化创新进入高端科学仪器领域的机会，甚至深耕高端科学仪器的专业化配套服务，不仅可以获得相应的创新收益，还可以在此过程中积累技术能力，实现从下游到上游的逆向创新。当前，很多国外的科学仪器企业在服务环节设置霸王条款，阻止中国企业进入高端科学仪器的服务领域，中国应该利用市场规模大、需求旺盛的话语权，在国际贸易中打破国外企业针对高端科学仪器服务所设置的不合理条款，为中国企业开展相应的服务化创新开辟空间。

3.6 加强高等教育改革

除了前述针对具体创新过程的产业发展思路外，中国还应该重视加强高等教育改革，提高在教学科研过程中学生自己动手制作和改进实验仪器能力，尤其是对于研究生而言，这不仅是在培养最基本的科学素养，也是在为整个高端科学仪器产业创新培养人才，还可能直接促进高端科学仪器的“中国首创”。根据调研访谈，发现在生物、化学、材料、机械等高度依赖科学仪器的实验学科中，学生动手设计实验、根据实验需要制作或改进科学仪器的能力偏弱，绝大多数学生(包括老师)都是简单地运用国外的先进仪器开展实验，这既不利于原创性前沿科学突破的产生，也不利于高端科学仪器的自主创新。在科学研究和科学仪器发展中做出大量杰出成就的卡文迪许实验室，就规定学生必须亲手制作实验用的仪器，不能使用现成的仪器。因为卡文迪许实验室的第三任主任、质谱仪的发明者和电子的发现者Thomson坚定地认为，学生不应该只是实验的观察者，更应该是实验的创造者。