没有那根“杠杆”，如何撬动地球？

许凯亮 苗顺东

阿基米德曾说：“给我一个支点，我就能撬起整个地球！”这句话说的便是杠杆原理，正如牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论一样。其实能撬动整个地球的“支点”之力除了万有引力定律、相对论等一类改变人类对自然规律认知的理论外，还有一类来自工具、装置、工艺等创新技术和方法的进步，典型的如轮子、造纸术、指南针、火药、显微镜和内燃机等。这些工具和工艺上的进步与科学理论的建树一样，深刻地改变了世界，推动了人类文明的进程。

科学仪器和实验装置与理论研究同样重要

近年来，可能更多人关注到了科研论文的质量和数量对一个国家的科技发展影响巨大，根据《2023中国科技论文统计报告》，2022年我国发表在各学科最具影响力期刊上的论文数量达到16 349篇，占世界总量的30.3%，首次超过了美国，位居世界第一。这一数字无疑振奋人心，但值得一提的是，很多高影响力文章背后的科学仪器和实验装置仍大量依赖进口。当前，在与科学理论建树同样重要的工具、工艺和装备方面的发展现状，恐怕还远没有达到可与我们国力相称的水平。笔者鉴于这些年在医疗器械研发方面的切身体会，深切感到如果在科学仪器研制方面我们没有强烈的忧患意识，会极大阻碍我国成为世界科学中心和创新高地的发展。

人类科学进步和文明发展不仅仅要靠理论研究，更依赖于科学仪器和工具的进步。伽利略发明望远镜推动了天文学的发展，列文虎克发明显微镜为生物学发展奠定了基础，鲁斯卡（1986年获得诺贝尔物理学奖）发明电子显微镜为人类获得新型材料以及促进现代医学的发展创造了条件，弗兰克（2017年获得诺贝尔化学奖，被称为“低温电子显微镜之父”）发明的冷冻电镜成为生物分子和生命科学领域研究的重要工具。理论研究从“书架”走向“货架”，是一轮学科交叉、技术转化和验证的过程，技术转化再从“货架”返回“书架”，构成了一轮理论升华和科学进步的过程。正是这一轮又一轮的“书架”到“货架”的循环，螺旋上升式地推动了科学进步和文明发展。

不进口“洋炮式”大仪器，很难完成国际一流科研

实践是检验真理的唯一标准。欧、美、日等发达国家的科学仪器与高水平装备经历了几个世纪的发展，对核心技术、关键部件和新材料等产业上游形成了某种垄断，同时也垄断了“诺奖级”学术舞台的话语权以及前沿的医疗和生命科学仪器市场链条。正如科学仪器巨头、赛默飞的首席执行官卡斯珀（Casper）所说：“以我在行业25年的经验来看，当环境面临挑战时，常规仪器常会让人感到有压力。而无论环境如何，客户都会为高端产品找到资金。”因此，2024年，赛默飞将聚焦电子显微镜等高端产品。由此可见，作为“杠杆”的高端科学仪器和医疗装备才是国际巨头撬动市场天平的杀手锏！目前，在实验条件方面，很多国内顶尖的高校院所已经达到或超过了国际一流水平。近年国内大量的高水平论文成果已然证明，使用与国际实验室一样的设备条件加上充沛的经费支持，中国科学家虽然起步晚但加速度大，很快走上了国际学术舞台的前沿。《自然》《科学》《细胞》等顶尖研究成果不断涌现，极大地增加了国人的文化自信。然而，当前面临的另一挑战是，我们国家每年花费大量的外汇采购进口科学仪器，甚至很多时候是依靠“单一来源”采购。也就是说，在我们迈向高水平科技自立自强之路上，面对西方的先进技术垄断是我们无法回避的“鸿沟”。在很多领域和学科中，确实面临不进口“洋炮式”大仪器就很难完成国际一流科研工作的情况。

改革开放后相当长一段时间中，受限于当时的国内形势和条件，我们很大程度上采取了“造不如买”的策略。近年来，国家层面已充分认识到了科学仪器对于前沿研究的重要作用，每年用于科研仪器研制的项目投入也高达数十亿元。但是，当下仪器的加大投入和产业转化机制亟待完善也是业内的共识，很多科学仪器通过了第三方检测报告，但失之于有效的产业链条支撑，难以推进市场化的后续进程。笔者曾多次听一线专家坦言，咱们这么多仪器项目所产生的科学仪器具体有多少真正能用，这仍需考察。

从超声发展史看理论研究和技术转化的相互效应

理论研究和技术转化是密不可分的，甚至是循环螺旋增强式的发展关系。以笔者曾工作过的法国巴黎高等物理化工学院（ESPCI）为例，其深厚的基础理论研究和技术成果转化能力，使其长期引领着声学原理与医学超声成像的新发展方向。为了说明问题，笔者在此就超声研究发展史做一简单回顾。

1881年，居里兄弟——皮埃尔 · 居里和雅克 · 居里——发现了压电效应，研制了居里验电器，相关研究成为现代超声技术发展的基石。1916年，法国物理学家保罗 · 朗之万（Paul Langevin，皮埃尔 的学生）在ESPCI研制了最早的超声探头。朗之万和俄国电气工程师康斯坦丁 · 奇洛夫斯基（Constantin Chilowski）合作发明了第一部主动式声呐设备，并于1920年获得了超声水下检测的专利授权。这一工作得到了朗之万好友爱因斯坦的大力推荐，一经发表即在西方学术界与工业界产生巨大反响，这是超声探测开启电子化的里程碑。近几年兴起的功能超声前沿技术依然发源于ESPCI，它是一种新型“高时空分辨率”脑功能成像技术，该技术突破性地在清醒活动的动物上实现了大脑区神经活动观察。其原理是基于新型的非聚焦的平面波/发散波超声技术。基于非聚焦声束成像的理论在20世纪90年代就已经提出，但受限于当时的计算能力和超声数据采集硬件，一直无法从工程上达到理论设计的水平。以马蒂亚斯 · 芬克（Mathias Fink）为代表的ESPCI顶尖声学专家坚定地在理论研究的同时推进工程化，坚持用一流超声设备硬件研发，完成前沿理论落地。

过去的30年间，ESPCI科学家持续引领着世界超声医学技术的发展。2011年，ESPCI的迈克尔 · 坦特（Mickeal Tanter）教授团队率先在《自然-方法》（Nature Methods）上报道了基于万帧级超快超声的小血流成像，并从实验上证明1000 Hz帧率的超快超声可以实现小血流成像和基于脑血流动力学的脑功能成像。2015年，ESPCI的坦特教授和奥利维尔 · 库蒂尔（Olivier Couture）教授合作在《自然》（Nature）正刊上报道了突破声学成像衍射极限的超声定位显微成像技术，可实现10 μm分辨率深层微血管成像，达到了波长的1/10。近十年来，相关技术不断发展，吸引了全世界脑科学专家的目光，其独特的高时空分辨率优势使之快速成为脑功能成像的有力工具。2016年以来，坦特教授团队迅速将技术转化，并成立了易科优思（ICONEUS）公司。仅仅5年时间就下线了相关产品，目前公司中只有30余名神经科学家、工程师和物理学家。公开资料显示，2023—2024年间，国内市场以“单一来源”采购了数套ICONEUS脑功能超声成像系统，总金额高达5000万元。

上海波达希望为走通高水平科学仪器自主研发之路交出答卷

2023年底，依托复旦大学的技术转化平台，上海波达医疗科技有限公司推出了国内首款脑功能超声成像仪器，成像帧率比传统超声提升近百倍，可大于万帧每秒，时间分辨率达到10 ms；微血管成像分辨率比传统超声提升10多倍，可达到5 μm左右，相关技术达到了国际领先水平。2023年，由复旦大学生物医学工程系牵头，我们获批了国家重点研发计划“诊疗装备与生物医用材料”重点专项“经颅超快超分辨脑微血管与脑功能超声成像技术研究及样机研制”，項目组汇聚了武汉联影医疗、香港理工、华山医院、北医三院、军事医学科学院、深圳先进技术研究院、之江实验室、广东智能科学与技术研究院、复旦义乌研究院等10家单位进行联合攻关。希望能引领脑超声影像技术新发展，带动我国生物医学工程、医学超声、物理声学以及脑科学等多学科融合创新。

正如复旦大学金力校长所说：“对于复旦而言，10年前我们就思考过，学校的发展目标应该是创新型大学，而不仅仅是研究型大学。创新型大学必须成为基础研究的全球高地、原始创新的重要策源地，同时具有推动不断创新的能力。”基础研究和理论创新是技术转化的重要策源地，也是推动产业持续创新发展的根本动力。另一方面，推动持续创新，就必须推动学科的交叉融合和技术转化。复旦大学在学科交叉融合和技术转化方向走在国内前列，金力校长表示：“我们已经初步走出自己的融合创新之路，让交叉融合成为发展潮流和活力源泉。”

如果说阿基米德所说的“撬起地球”的思想代表了理论研究成果的突破，那么今天我们“撬动地球”所用的“杠杆”就是高端科学仪器，有了理论和实践的紧密结合才能实现从“书架”到“货架”的上升循环，更快更好地建设世界科学中心和创新高地。为促进新质生产力的发展，既要加强原创探索开拓“撬起地球”的理论方向，也要促进创新转化加强“撬动地球”的杠杆支撑。