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冰點周刊:注定冷的板凳

發稿時間:2020-11-04 00:00:00 來源: 中國青年報

  第十屆中國國際科學儀器及實驗室裝備展覽會上,一款國產電子顯微鏡。視覺中國供圖

  中科科儀生產的掃描電鏡可以觀察癌細胞。中青報·中青網記者 楊杰/攝

  第十五屆南京國際教育裝備科學儀器展覽會開幕。視覺中國供圖

  第十四屆中國科學儀器發展年會上的展商。受訪者供圖

  9月,第十四屆中國科學儀器發展年會在天津舉行。受訪者供圖

  做實驗的科學工作者把科學儀器稱作“吃飯的家伙”“研究的拐杖”。

  它嬌貴,北京16號線地鐵修建時,特意繞開北大精密儀器樓。

  它能干,追求極致的性能。拿一張沾著有機溶劑的試紙擦一下蘋果表面,能準確地測出是否有農藥殘留,像在一麻袋紅豆中,一眼找到一顆綠豆。全國最大的蔬菜種植基地山東壽光,借助質譜儀,20秒就能一次性篩查200多種農藥。

  它能從10公斤面粉里找出1克毒品,能把一根頭發分成6000萬份后還能看清……科學儀器觸摸到人力不可及的角落。激光干涉儀可以檢測幾億光年外黑洞運行中產生的引力波;電子顯微鏡可以重構分子和原子級別的真實形態,科學儀器能抵達遙遠和渺小的未知世界。

  科學儀器不會直接改變世界,但常能引發科學研究的重大突破。在2019年以前的諾貝爾獎中,72.6%的物理學獎、81.1%的化學獎、95.5%的生理學或醫學獎都是借助尖端科學儀器完成的。

  1991年,年夫順要造一件他從沒見過的科學儀器。

  那時他29歲,小孩剛出生,還被叫做“小年”。在安徽蚌埠的偏僻角落里,他和幾個剛畢業的研究生穿樸素的工裝,腦袋里裝的是怎么造出世界上最先進的微波矢量網絡分析儀。

  現代生活的“物質法官”

  科學儀器就像我們身邊“陌生的熟人”,無時無刻不在影響我們的生活。2019年,我國710萬臺檢驗檢測設備,每天源源不斷地生產出144萬份報告。

  9月16日,在第十四屆中國科學儀器發展年會上,來自公安部的工程師展示了借助質譜儀辦案的過程。質譜儀是當今最具發展前景的科學儀器之一,如一座看不見的天平,它利用電場、磁場將運動的離子按質荷比進行分離和檢測,可以快速鑒定出樣品中化合物的分子量和結構性質。9位科學家因為質譜獲得過諾貝爾獎,2008年北京奧運會的興奮劑檢測、南北極科考都用到了質譜儀。

  公安部的工程師每個月有20天駐扎在云南,用質譜儀檢測行李箱包、輪胎設備,尋覓毒品痕跡。因為高靈敏性,它能在吸毒者摸過的東西上檢測出毒品,不需要跑實驗室,現場快速定性。警察還曾在燒水壺的夾層里發現毒品,在看似無恙的水里發現溶解的冰毒。

  一種叫做檢漏儀的科學儀器如其名,檢測“漏氣”。1971年,中科院科學儀器廠研制出一款國產檢漏儀,曾為毛主席的水晶棺檢漏。在科學儀器中,靈敏的氦質譜檢漏儀能檢測出打火機最細微的泄漏,細微到何種程度?漏完一整個打火機需要500萬年。

  泄漏是航天的大敵。1986年,美國“挑戰者”號航天飛機在升空73秒后爆炸解體,7名宇航員罹難。事故的原因就是一個不起眼的密封圈失效,引起泄漏,最終導致美國宇航局也是人類太空探索史上沉重的悲劇。

  中國儀器儀表學科奠基人王大珩院士曾說:“儀器儀表是工業生產的‘倍增器’,科學研究的‘先行官’,現代生活的‘物質法官’!痹谌绱酥匾母叨丝茖W儀器領域,中國并非強國。

  2018年,美國化學會旗下的《化學化工新聞》發布了全球儀器公司榜單,在前20家公司中,有8家是美國公司,7家來自歐洲,5家公司位于日本。中國企業沒有入選!鞍凑諆x器的銷售額來算,前50都沒有中國企業!蹦攴蝽樥f。

  年夫順是中國電子科技集團第41研究所首席科學家,“小年”如今已經成了“老年” ,頭發不可避免地變成花白。他是中國儀器儀表學會的會員,也是科技部“十三五”科學儀器專家組的組長,很多時候,他需要站在國家層面統籌。

  我國是科學儀器進口大國和貿易逆差國。中國儀器儀表學會的資料顯示,2016年進口儀器儀表449.6億美元,僅次于石油和電子元器件,是第三大進口產品。從2018年和2019年的海關數據來看,科學儀器整機進口額是出口額的4-9倍,如果出口量有鼠標那么大,進口量就相當于是鍵盤。

  國家市場監督管理總局認可與檢驗檢測監管司曾對31個省級生態環境監測機構的檢測儀器進行摸底,國外設備占總值的86.8%。

  越是高端,越依賴進口。價值200萬元以上的質譜類、電子束類和X射線類設備,國內市場在2014年到2019年購置了3000多臺,其中進口的設備占96%以上。

  2018年12月的深夜,北大核磁中心里,白霧從一臺800兆赫茲譜儀的液氦充填口中噴出,伴隨尖銳聲響。儀器進口自國外一家壟斷企業,之后的售后服務并不能讓人滿意,北大核磁中心發布公開信維權,加入聲討隊伍的用戶越來越多。

  清華大學精密儀器系博士生王宇晨很能體會這種感受,“維修儀器、備用件的開銷很大,我們都小心翼翼地用,避免用壞!彼褂玫膬x器是一臺質譜儀,日常用于物質的化學成分分析,大型質譜儀的體積像個大號的雙開門冰箱,“如果把儀器當成一個人的話,它可能是研究生生涯中你接觸時間最長的一位,很熟悉怎樣讓它保持好的工作狀態!彼恐芤翈状伪砻。

  年輕的王宇晨正沉浸在與儀器打交道的樂趣中!耙慌_儀器,具象的東西擺在那,你通過不斷探索它的內部性能,讓它發揮最大的用處,這是工程師該做的事,比較酷!

  但有時這種探索不得不因為進口儀器昂貴的維修費用而止步!拔覀儠苊庀鄬ξkU的操作,比如這臺儀器加10個分子不會因短路而失效,而加1萬個一定會短路,那我們在實驗中能不能加500個分子?加1000個呢?到底還能加多少?不敢嘗試!

  進口科學儀器自改革開放后涌入中國的高校、科研院所和檢驗機構,像越拉越長的影子覆蓋國內市場。目前,國產龍頭企業占國內市場的比例只有一成,另外的蛋糕大多被美、德、日搶占。

  如今,國際形勢冷暖驟變,人們開始意識到高端科學儀器依賴進口存在風險。

  一些企業已經開始在國產儀器中尋找備份,一家國產儀器廠今年上半年的銷量比去年整年都多。對國產儀器來說,這是一個機會、勇氣、動機合而為一的時刻。

  一個國產儀器的誕生

  上個世紀90年代初,“小年”剛來41所幾個月,一天突然被叫到所長辦公室,一屋子的中層以上干部,年夫順有點吃驚,聽到后來才明白,一個儀器的核心部件,國外突然“斷供”,所里臨時決定成立攻關小組。年夫順是學電磁場與微波技術的,被抽調來,與一位結構設計人員和工藝設計人員組隊,每個星期匯報進展。一年時間,問題被解決了。

  如今,3人的攻關小組已經發展至三四百人,仍保留著一周工作六天半的傳統。那時,在一層樓大的開間里,做實驗、辦公、設計都在一起,每天晚上加班到11點。

  接到制造微波矢量網絡分析儀的任務時,年夫順只有5年時間!耙磺袕牧汩_始!彼麤]見過這種儀器,一次,聽說在上海搞展覽,年夫順和同事趕了過去。在一家五星級酒店,他們圍著這臺比人高的儀器看了又看。不記得一共看了多少次,一旁的工作人員都好奇了,問他們是哪個所的。

  年夫順還在國家專利局待了一個星期,把所有國外公開的相關專利都看了個遍。那時專利的摘要保存在縮微膠片上,他得借助機器一行行地看,最終收集了厚厚一摞,作為設計的參考。

  但國外的專利只提供不同點位上的火花,如何把他們連起來,年夫順和同事們還是一頭霧水!靶睦餂]底,不知道會遇到啥問題,吃飯睡覺都在想,著了魔似的”。儀器的科學原理擺在那,有時嘗試摸了很多次,就是摸不著。一個剛來的研究生被安排做壓控振蕩器,做了兩年沒做出來,人走進死胡同!翱蒲芯褪沁@樣,方向走不對,一兩年白費!

  2002年諾貝爾化學獎得主田中耕一有幾年的時間都在重復練習失敗。他只有本科學歷,沉默寡言,是儀器公司里最本分的那種職員,連科學家都算不上。他的工作是將幾百種不同輔助介質涂在質譜儀上,測試哪一種信號高,并將這個過程重復幾千遍幾萬遍。

  他最終能得諾獎還是因為一次失誤,把人們用來涂臉的甘油酯錯當成丙酮醇加入了樣品,一不小心幫助人類看清了生物大分子是什么樣子。

  “如果不是這么反復辛苦地去做,連犯錯的機會都沒有!币晃谎兄瀑|譜儀的專家說。

  年夫順的一位同事曾陷在取樣器的迷宮里,設計出來的東西怎么都不能正常工作。一日,安徽熱漿糊般的夏天糊在人的身上,年夫順正在午睡,同事突然來了電話,“我想起是什么問題了,這次肯定對了,咱倆到實驗室試一下!彼牫鐾碌呐d奮,已經等不及下午上班再驗證。爬起一做實驗,果然成了。窗戶紙捅破后,帶來難以名狀的成就感。

  迷茫的時候、想不出來的時候、累的時候,年夫順只有一個愛好,聽地方戲。他小時候在安徽農村長大,沒什么娛樂活動,地方戲算是最熱鬧的一個。如今,他在電腦里存了很多,聽著聽著就睡著了,好像回到從前,好像沒了壓力。

  年夫順的父親不知道兒子在做什么,只知道“是為國家作貢獻”。在彌留之際也不敢打擾他的工作。母親走得更早,那年4月,母親身上有個疙瘩,年夫順說忙完這段帶她去檢查,結果一直在忙。11月,母親發燒,再看已是癌癥晚期,“早幾個月發現,也許還能做手術!

  1995年12月,國產的微波矢量網絡分析儀問世,中國成為繼美國后,第二個生產出這個科學儀器的國家,且只用了一半時間。在北京新大都飯店,200多名專家被邀請來參加新儀器的鑒定會。年夫順扶著儀器把手給大家講解,主管機關的領導看見了,罵他:“小年你怎么搞的,這么貴的儀器,你手上有汗,怎么能用手摸呢?”

  鑒定會上午開完,效果很好,但吃完中飯后,很多專家不走,把儀器圍了起來!八麄兎且蜷_機器看,不相信全是國產的!

  來自各大科研院所的專家拿著螺絲刀把機器擰開,“一看就是我們做的!眹猱a品的微波部件是鍍金的,黃燦燦,很漂亮,“我們鍍得黑不溜秋,被戳得一道一道!

  開完鑒定會后,41所生產了十幾臺儀器準備賣給客戶。就在這個當口,儀器卻突然藍屏了,曲線消失,像手機死機。

  一切重新歸零,年夫順跟團隊扎在實驗室做實驗找原因,搞了幾個月沒有結果。有一天晚上11點,大家都累了,年夫順說“今晚就到這吧”。話音剛落,一個同事“啪”一下就把計算機關了。神奇的是,藍屏突然恢復正常,電腦一開,藍屏又出現了。

  “最后發現就是計算機干擾,電磁兼容問題,干擾了視頻顯示的卡,把計算機挪遠一點就沒問題了!

  已不年輕的“老年”笑著合上了那段記憶,這些年,他身邊很多人離開了公司、放棄了行業,但老友相聚,回憶起的還是那段雖然艱苦但值得津津樂道的日子。在那個開荒的年代,有那么多機遇,有那么多問題等待解決。

  年夫順1979年上大學時,家里還沒有電,點煤油燈照明。收音機是農民家里的大件,他選專業時,挑了無線電技術,為的是學會修收音機。

  過年,他用從22.5元的助學金里省下來的錢買了電烙鐵和萬用表帶回家。很多人拿著收音機找他,結果因為沒有電,電烙鐵無法使用,鬧了很大笑話。

  “人生不是想干什么就干什么,是需要你干什么就干什么,我這輩子都是被需要的!敝钡浆F在,年夫順也不能修一個完整的收音機。

  “儀器做出來了,長得也像,可是體質不好”

  在科學儀器發展年會的現場,顧客和展商的交流里,常會出現“進口的,還是國產”的疑問。盡管一些儀器宣稱國產,但關鍵部件仍然依靠進口。一款起著中國名字的震動篩分儀,內里的電機和篩網都是德國進口的。

  科學儀器在新中國的起點始自1955年,當時制定了12年科技遠景規劃,成立儀表總局。上世紀50年代到80年代,兩彈一星涉及的儀器大部分來自國內。直到改革開放,人們覺得“造不如買,買不如租”,大批進口儀器在免稅政策的加持下攻城略地。

  年夫順所在的電子測量儀器領域,當年全國有100多個廠,千人以上的大廠就有十幾個,現在幾乎全部倒閉或轉制 。研制電鏡的廠家從上世紀60年代的十幾家,縮減到目前只有中科科儀一家。

  王宇晨對比過國產儀器和進口儀器的差別,“通俗點說,如果用收聽廣播來比喻的話,國外的儀器能收到主持人清楚的說話聲,沒有背景雜音;用國內的儀器雖然也能聽到聲音,但會伴有滋啦滋啦的噪聲!眹a儀器質量與進口產品比,普遍在性能、壽命、穩定性等方面存在差距。

  用來緝毒的國產質譜儀雖靈敏,誤報率卻也不低,香水、面膜中所含的化學成分相近的雜質容易引起報警!皟x器做出來了,長得也像,可是體質不好!蹦攴蝽樥f。

  李賞是中科科儀的真空技術研發中心主任,35歲,工作疲憊到隨時能睡著。中科科儀的前身是科學儀器廠,曾給水晶棺檢漏,如今,李賞參與研制的磁懸浮分子泵仍與抽真空相關。

  它是真空獲得設備,軸懸浮在保護軸承之間,只有0.2毫米的距離。當它應用在半導體生產時有一個技術難點:工藝過程中產生的一種廢氣,在70-80攝氏度時是氣體,低于這個溫度會變成一種膠狀物質,附著在0.2毫米間,令高速運轉的分子泵和科研人員崩潰。國外的技術已解決這些問題。

  李賞和同事們常常下午在北京開會討論出想法,晚上開車到廊坊找私營老板加工,圖紙也來不及畫,只拿手勾,被叫醒的工人再照著去做!耙桓姆桨,馬上要知道結果!庇袝r設計出問題,有時工藝出問題,有時制造出問題,失敗總是多于成功。

  他認為,國產儀器需要經歷國外企業類似的試錯過程,此方面幾無捷徑可走。行業巨頭賽默飛世爾的研發人員,花了10年時間改進質譜儀的核心元件,造出了全世界分辨率最好、也是最小巧的儀器,單臺售價上百萬美元,供不應求。

  經過如渡劫般的層層實驗,李賞和同事們花了兩年時間做出3個型號的樣機。新產品出爐那天,最靦腆的研發者也笑了起來,性格開朗的直接抱住了身邊人。同事們拿著酒精棉一點點擦拭儀器表面,將它放進薄膜套中,再裝入泡沫箱,一堆人捧著走出實驗室!斑@里面投入的不光是技術,還有感情!眲e人看來那只是一堆冷冰冰的鐵疙瘩,但在研發人員眼里就像自己的孩子。有的企業的研發人員干脆入駐工廠,全程盯著配件,不允許出現一個刮痕。

  李賞如今不只純做技術,還要涉及企業管理和拓展市場!皼]有市場需求對企業來講是最核心的問題!彼仡欉^去,做技術時,物理原理放在那里,找到了就解決了問題,就算找不到它也不會跑。產業化的過程則不同,市場瞬息萬變,未知像從前的煙霧一樣罩下來,只能伸出手摸著走。

  接近10年的工作生涯中,李賞最有成就感的一刻發生在一場行業聚會上,晚上大家一起吃飯,一個客戶跑到他的桌前,說“你們這個產品真好,比國外都好,真空抽得表都測不到!

  市場是需求,是動力,是根本

  科學儀器的專家們樂于談論一個數字。整個“十三五”規劃期間,5年里國家層面給予科學儀器的研發投入總共80多億元,與之對比的是,儀器名企賽默飛世爾2019年一年的研發投入超10億美元。

  作為中國科學院電工研究所的副所長,韓立對于電子顯微具有深刻的認識。他說“現在正在使用的透射電子顯微鏡,兩米高的垂直結構,能夠對于原子結構進行成像”。

  從成本構成上來說,目前高檔透射電鏡售價達3000萬元,中等掃描電鏡四百萬元。韓立計算過,兩者之間的部件差價絕不會超過2000萬元,透射電鏡的利潤如此驚人,但國外企業仍不賺錢,甚至砍掉透射電鏡產品線就是因為研發投入巨大!肮揪S持了一大批可以和我們的大學教授平起平坐的、高水平的研發人員,其收入甚至超過美國的大學教授!眹H領先儀器企業的研發投入往往會高出國內企業2-3個數量級。

  對國內企業來說,這不是一場理性的投資,本金常常數以千萬元計,周期5年、10年,等來的很可能是已經過氣的東西。做真空設備的李賞說,企業投了許多錢研發,等產品問世又可預料地會受到國外打壓,分子泵國產化后,國外產品售價從十幾萬元降至4萬元,“企業自己很難下定決心去搞研發,市場也不大!

  今年,國家和地方政府對中科科儀的投入增加了18倍,從過去的幾千萬元上漲至今年上半年的3.8億元。但國家經費有限,又比較分散,很難培養出世界知名的企業!笆濉逼陂g,科學儀器專項共安排項目145個,僧多粥少。

  年夫順認為,政府的科研經費是輸血,不是造血,還得要靠企業自身。但因為國產儀器先天不足,體質不好,在與進口儀器的對戰中,常常無法出線。

  李賞設計的磁懸浮分子泵的葉片限速度是300多米每秒,跟子彈的初速度一樣,儀器最多能達到500赫茲,這對材料的強度要求很高。

  李賞找了國內最好的鋁合金生產企業,還是不能提供理想的強度,“我們只能從500赫茲降到450赫茲,因為材料扛不住!苯档皖l率,意味著儀器的核心性能減弱,“抽真空沒有人家快,只能降價跟國外競爭!蓖ǔ,他們的定價是國外產品的70-80%。

  “有的客戶不愿意為省幾萬元而冒險使用國產的,如果生產線上一爐子芯片廢了,損失遠超省下的錢!崩钯p說。

  科學儀器技術門檻高,任何單項短板都會給整個儀器開發帶來極大風險。譬如,冷凍電鏡整機就涉及機械、材料、光學、生物、計算科學等學科,任何一個點出問題,整個項目可能都會失敗。

  年夫順所在的中國儀器儀表學會這些年做過調查,對儀器的16類名詞進行檢索后,發現中國申請的專利和發表的論文在國際上排名第一和第二。在全國,有280多個高校有測試計量專業。年夫順認為,這說明我們在知識上不差。

  然而知識和市場是脫鉤的。論文的作者集中在高校和研究機構,不在企業。有學者指出,發達國家研發投入、工程化投入、產業化投入的合理資金比例是1∶10∶100;我國比例是1∶0.07∶100。

  負責單位科技成果轉化的韓立認為這樣也并非易事,國外一些轉移機構的成果轉化成功率也只有7%,其中一點就是“科研人員剛拿出來的樣機實在太不可靠了,很多科研人員沒有工程化的能力,自己操作可以,換個人就不行!迸匀说眯⌒囊硪砺犞噶畈僮,以防“砰”一聲把儀器燒了。

  理想的組合是,企業擅長批量生產和銷售,科研人員提供技術。在美國的論壇上,研究者在上面作報告,企業在下面聽,當場把技術買下來變成企業的研發,等時機成熟時推出市場。

  高端儀器的市場是一個擺在高樓上的小塊蛋糕,世界第一的企業銷售額大約只相當于我國房地產行業的第56位,低于一個許多人沒有聽說過的地方房企。年夫順所在的國產儀器龍頭廠商拼盡心思擴大市場,他們向用戶承諾,產品出了問題會在24小時內到達現場。一些買家仍然擔心國產儀器的性能指標和質量可靠性,他們就讓客戶拿去試用,不好再退回來,有人試用了一年。

  姜山出現在中國科學儀器發展年會上,發言積極。他原先是中國原子能科學研究院的研究員,現在離開體制內,自己創立了一家叫啟先核科技的企業,生產加速器質譜儀。他與儀器打了半輩子交道,已經“人機合一”,像開車一樣自如地使用龐大的加速器質譜儀。

  “對企業來說,第一個訂單非常重要,有了訂單企業就活了!彼墓咎幱诔鮿撾A段,接下了一兩個訂單,“我永遠記得他們!

  市場是需求,是動力,是根本。年夫順說,“有人去做,才會打破壟斷!币灿幸恍┢髽I采取田忌賽馬的策略,試圖在細分賽道上獲得比肩國外的競爭力。

  非國產不可嗎

  韓立在電鏡聯盟群里參與過一場討論,有專家就說,我們真的要挨個把每個儀器都做出來嗎,別人做出來我們用不行嗎?

  一臺儀器背后,牽著無數線頭。

  “儀器的背后是學科,有一些類型儀器發展不起來,讓人真正擔心的是相應學科的弱化!表n立說。如質譜、電鏡和X射線儀器背后是由真空電子學支撐,我們的科研能力已大不如前。另外,外部環境也要求“每個東西都得掌握,要不腰桿兒不硬”。

  許多業內人士認為,國產儀器的質量缺陷與基礎機械工業體系相關。清華博士生王宇晨舉了個夸張的工藝學例子,假如我們要做一支圓柱形的金屬桿,設計要求直徑為5厘米。但設備加工有公差,得到的金屬桿直徑可能有5厘米、5.1厘米或4.9厘米。做100個這樣的桿,國外設備制造的有90個滿足要求,同時能準確挑出來;但國內制造的可能只有70個滿足,而且不知道哪些桿是合格的。平均誤差的增加和品控測量能力的缺失導致良品率低下。

  即便是最簡單的擰螺絲,工人擰松了,擰緊了,距離近一點,或是遠一點,在科學儀器制造領域,這些差異會導致完全不同的結果。

  中科科儀生產的磁懸浮分子泵像一個圓桶,身上插滿葉片。細看之下,每根葉片都是根上粗,尖上薄,葉片扭著身子,且角度都不一樣。這是經過反復實驗決定的結構,它需要五軸聯動數控機床去加工,零件在轉,刀具也在轉,一次裝夾就能完成五面體的加工。機床來自瑞士,600多萬元。

  瑞士從事機床生產的企業大約20多家,支撐瑞士鐘表和其它精密制造行業。在人才培養上,從10年級(16歲)起,超過80%的瑞士學生選擇進入職業技術學校開展3-4年的“雙元制” 學習。只有不到兩成的學生選擇讀大學。

  正在創業的姜山,立志做出一件超越國外的儀器!翱茖W儀器生產出來時,解決的是最急需的科學問題,等到包裝好、穿好衣服賣到全世界,已經不大可能做出最高水平的實驗!

  中科院院士、美國國家科學院外籍院士、兩彈一星功勛獎章獲得者周光召說,依靠高價買來的現成儀器設備,跟在別人想法后面亦步亦趨,固然容易發表SCI論文,卻不能實現根本性的突破。

  姜山認為,在科學儀器領域,20年才能磨練出一位領軍人物。因為科學儀器涉及的知識和技術點多,每搞懂一個問題可能都需要5年時間,這是個長期坐冷板凳的過程。

  機器是改造世界的工具,儀器是認識世界的工具。人類早就擺脫了直接借助感官了解世界的時期,現在需要借助科學儀器來延伸人的感官。人們之所以不斷將原子核打碎,把中子、質子打開,就是為了一步步接近真理,積攢人類共同的知識。

  “這需要依靠全球的合作,動用無數最聰明的腦子,共享數據,從不同側面去探索,共同推動對未知世界的認識!表n立說。

  中青報·中青網記者 楊杰 來源:中國青年報

責任編輯:知秋
 
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