为什么好点的仪器都是进口来--科学仪器的国际发展趋势和我国现状

  (一)国际趋势

  1.创新型国家都十分重视科学仪器的自主研发。欧美日等国家都把“发展一流的科学仪器支撑一流的科研工作”作为国家战略,对科学仪器的装备和创新给予重点扶持。如美国通过国家自然基金(NSF)和国家健康研究院等扶助科学仪器的研发,确保美国在世界科学仪器产业的领先地位;日本于2002年制定了高精密科学仪器振兴计划,在岛津公司的田中耕一因为在仪器方面的杰出贡献获得2002年诺贝尔奖后,日本文部科学省决定,从2004年起斥巨资(100亿日元)开发世界尖端的分析计算测量仪器,以催生更多诺贝尔奖级的科研成果;欧盟在“第六框架计划”(2002-2006)中将“操纵和控制设备和仪器的开发”列为纳米技术和纳米科学领域的重点内容,在“第七框架计划”(2007-2013年)中,斥资41亿欧元主要用于辐射源、望远镜和数据库等新型研究基础设施建设;加拿大自然科学与工程研究理事会制定了“研究工具、仪器和设施计划”,等等。

  正是这些创新型国家政府的大力支持,使科研人员在科学仪器研发方面做出了重要贡献。近些年来,与科学仪器研究开发相关的诺贝尔奖基本上都授予了欧、美、日等创新型国家的科学家。

  2.技术发展趋势。科学技术的飞速发展,促进科学仪器新技术、新成果层出不穷。目前,科学仪器已远远超出“光机电一体化”这个概念,除了加入计算机技术,还大量引进日新月异的高新技术,如纳米、MEMS、芯片、网络、自动化、免疫学、仿生学、基因工程等等新技术,同时,一些高精尖的军用技术向民用技术转移,大大提高了科学仪器的技术水平和更新换代速度。当今科学仪器发展总体上呈现出如下趋势:一是,常规科学仪器向多功能、自动化、智能化、网络化方向发展;二是,生命科学科学仪器向原位、在体、实时、在线、高灵敏度、高通量、高选择性方向发展;三是,用于复杂组分样品检测分析的科学仪器向联用技术方向发展;四是,用于环境、能源、农业、食品、临床检验等国民经济领域的科学仪器向专用、小型化方向发展;五是,样品前处理科学仪器向专用、快速、自动化方向发展;六是,监控工业生产过程的科学仪器向在线、原位分析方向发展。

  3.产业发展趋势。一是,PerkinElmer、热电、安捷伦、岛津、布鲁克等科学仪器企业大集团主导着国际科学仪器的市场;二是,中小型科学仪器企业通常向“专、精、特”方向发展;三是,通过并购和组建战略联盟,形成科学仪器大集团是国际科学仪器产业发展的重要趋势。

  (二)我国科学仪器发展现状和问题

  历年科技发展规划都将科学仪器作为其重要组成部分,尤其是第一个12年规划,将“仪器,计量及国家标准”作为13项重大任务之一。“两弹一星”期间,科学仪器得到重要进展,自力更生,攻破了一大批技术难关,制造了光学测量仪器、质谱仪等几十万台件设备、仪器、仪表,为“两弹一星”做出杰出贡献。

  改革开放以后,尤其是近年来,我国科学仪器总体水平与国际先进水平存在明显的差距,与创新型国家明显不相符。

  1.自主研发投入少,核心技术匮乏。近年来,我国对科技的投入大幅度增加,但“重引进,轻自主研发”的现象仍比较严重。据统计,“十五”期间,863计划、973计划和国家科技攻关计划等科技计划经费的20%左右用于购置科学仪器,985工程、211工程以及知识创新工程更将大量的经费用于科学仪器购置,但在科学仪器研发方面,政府支持严重不足。863计划、973计划和国家科技攻关计划等国家3大主体科技计划“十五”期间共计330亿元,用于“科学仪器设备研制与开发”项目的仅0.85亿元,而反观美国,仅以NSF为例,2003和2004年投入到大学的相关项目中,科学仪器研制或功能改进占支持科学仪器总金额的25.3%%。投入不足使我国具有自主知识产权的科学仪器十分有限。

  2.与国际先进科学仪器存在明显差距。我国科学仪器工业经过多年发展,已具有一定的研究、开发和生产的能力。但是,由于核心技术匮乏,且制造业、材料业等与科学仪器产业密切相关的产业总体水平不高,我国科学仪器产业总体水平与国际先进水平存在明显的差距。在中高档科学仪器方面,如等离子体质谱仪、核磁波谱仪、高档激光干涉仪等附加值高的科学仪器,我国基本处于空白,即便在一些科学仪器方面有一定突破,但离市场尚存在较大差距;在中档科学仪器方面,如液相色谱仪、生化分析仪器、X射线晶体定向仪等,我国虽然有产品,但稳定性和重现性不高,以及相应的应用软件等配套性较差,导致这些科学仪器市场占有率不高;在中低档科学仪器方面,如气相色谱仪、紫外吸收光谱仪等附加值不高的科学仪器,虽然在国内具有较高的市场占有率,有的还出口国外,但国内厂商之间竞争十分激烈,有的甚至存在恶性竞争。

  3.市场巨大,但主要依靠进口,科学研究“空芯化”现象严重。我国每年上万亿元的科学仪器固定资产投资中,有60%%是用于进口设备,其中精密仪器等高技术含量和高附加值的产品主要依赖进口。以分析测试仪器为例,据保守统计,分析仪器进口总额从2001年的9亿美元猛增到2004年20亿美元以上。在生命科学科学仪器方面,我国对发达国家的依赖则
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 3.市场巨大,但主要依靠进口,科学研究“空芯化”现象严重。我国每年上万亿元的科学仪器固定资产投资中,有60%%是用于进口设备,其中精密仪器等高技术含量和高附加值的产品主要依赖进口。以分析测试仪器为例,据保守统计,分析仪器进口总额从2001年的9亿美元猛增到2004年20亿美元以上。在生命科学科学仪器方面,我国对发达国家的依赖则更为严重。近年来,我国科技投入大幅度增加,大型科学仪器已具备一定规模。据不完全统计,截至2002年底,50万元以上的科学仪器总值已经超过150亿元,但是90%以上都是依赖进口。尤其是国家投入大量资金建立的研究实验基地,虽然装备精良,但往往是自我装备能力明显不足,重要科学仪器及其辅助设备基本都依赖进口。著名科学家师昌绪先生曾指出:“须知一个仪器从实验阶段做到成为商品,至少要3-5年,而这期间大量有开拓性工作都已发表,而买来的设备已是强弩之末,难以作出开创性的工作”。科学研究依赖进口科学仪器的“空芯化”现象使得我国科技创新面临十分不利的局面。

三、自主研发科学仪器意义重大

从一定意义上说,谁掌握了最先进的科学仪器,谁就掌握了科技发展的优先权、人民健康的保障权、商业标准的制定权以及突发事件的主动控制权。加强科学仪器自主创新意义重大。

(一)是建设创新型国家的迫切需求

党的十六届五中全会提出建设创新型国家的战略。建设创新型国家,核心就是把增强自主创新能力作为发展科学技术的战略基点,走出中国特色自主创新道路,推动科学技术的跨越式发展。“对外技术的依存度低于30%”是创新型国家十分重要的指标,而目前,作为科学技术这个第一生产力的“工具”的科学仪器严重依赖进口,与创新型国家建设的要求严重不符。为此,加强科学仪器自主研发,降低对国外科学仪器的依存度,是增强创新能力自我装备和提升的重要途径,是推进创新型国家建设的重要工作。

(二)是贯彻落实《规划纲要》和支撑国家重大工程的重要举措

一方面,《规划纲要》明确提出要“加强科学仪器设备及检测技术的自主研究开发”和“科学实验与观测方法、技术和设备的创新”。同时,《规划纲要》在环境、能源、水和矿产资源、制造业、人口与健康以及公共安全等重要领域中近30处提出要加强监测技术、检测技术、测试技术、勘探测试技术等研究工作。另一方面,科学仪器是我国西气东输工程、南水北调、北斗星定位系统等重大工程、重大装备不可或缺的组成部分,这些重大工程和重大装备往往关系到国家的重大利益,它们的实施更需我国自主研发的科学仪器。同时,科学仪器也是我国载人航天工程、探月工程的重要组成部分,如神舟飞船由“测控与通信”、“环境控制与生命保障”、“仪表”等13个部分组成,实际上,上述“测控与通信”等3个部分等都是由若干科学仪器组成。为此,加强科学仪器的自主创新,是贯彻落实《规划纲要》精神,是有效支撑国家重大工程的重要举措。

(三)是诺贝尔奖等一流科技成果的重要源泉

先进的科学仪器既是技术创新和知识创新的前提,也是创新研究的主体内容之一和创新成果的重要体现形式,科学仪器的创新往往成为最有价值、最具活力、最有竞争力和发展前景的创新。统计结果表明,一个世纪以来,50多位科学家因为在科学仪器方法和技术方面的直接成果获得诺贝尔自然科学奖;1/3以上的诺贝尔物理学奖、化学奖和生物医学奖颁发给了那些在电子显微镜、质谱仪、CT断层扫描仪、X光物质结构分析仪、光学相衬显微镜和新开辟领域的扫描隧道显微镜等科学仪器及其方法技术方面有杰出创新的科学家;2002年的诺贝尔化学奖更是全部奖给了3名在分析仪器研究领域有杰出贡献的分析化学家;2005年的诺贝尔物理学奖授予了对极宽频带的高准确计量激光仪发展奠定了重要基础的三名物理学家。

(四)是抢占科技战略制高点的必然途径

虽然我国已向国外购买了大批的科学仪器,但真正的核心技术是买不来的,尤其是涉及军事、纳米、生命科学等领域的具有战略意义的科学仪器,发达国家一直对我国进行封锁。如SARS爆发后,我国拟建立生物安全p4实验室,而其中的核心仪器国外对我国实行封锁;再如,风洞在国防、铁道、桥梁等领域具有十分重要作用,而其中的核心仪器国外也一直对我国实行封锁;又如,高档激光干涉仪是超高精密测量和加工的必备测量仪器,仅有极少数的几个国家生产,但全部禁止向中国出口,等等。为了彻底破除发达国家的技术封锁,加强科学仪器的核心技术的自主研究和开发,积极努力开发具有自主知识产权的高新科学仪器,有效避免“受制于人”,是抢占科技战略制高点的重要举措。

(五)是增强我国在国际贸易中的话语权的重要手段

近年来,尤其是我国加入WTO后,国外发达国家采用提高有关项目的测试指标等手段,设置技术壁垒,致使我国在国际贸易中蒙受了巨大的经济损失。为此,加强我国科学仪器自主创新,提高其检测水平和能力,摆脱受制于人的局面具有十分重要的现实意义。同时,如果能针对我国特色资源和优势资源的检测需求,发展起具有我国特色的科学仪器产业,可以提高我国特色资源和优势资源的技术壁垒,限制或减少国外商品涌入中国,从而达到反标准控制的作用。

(六)是发展我国科学仪器民族工业的必然选择

目前,我国科学仪器产业尚为幼稚产业,并且很多产品仅限于中低档水平。主要表现在,一方面,核心技术匮乏、工艺水平不高、配套性差等不足,另一方面,生产高档次科学仪器的企业基本空白,中低档科学仪器产业却是“千军万马过独木桥”,有些领域甚至存在国内企业之间的恶性竞争,2000年调查数据表明,全国生产气相色谱仪器的企业多达80家。

我国科学仪器产业存在上述问题的重要原因之一就是长期以来,各有关方面对科学仪器的自主创新重视不够。为此,加强科学仪器自主创新,提升科学仪器研究开发的技术水平和管理水平,这是在WTO时代我国科学仪器产业做大做强的必由之路。

四、自主创新,大幅度提升科学仪器技术水平

(一)当前是我国推进科学仪器自主创新的重大机遇期

1.国家领导人高度重视科学仪器研究开发工作。早在1995年,朱镕基、李岚清、吴邦国、邹家华和宋健等领导同志就对卢嘉锡、王大珩等20位院士提出的《关于振兴我国仪器仪表工业的建议》作出重要批示。2000年,吴邦国、温家宝和李岚清等领导同志又对王大珩、杨嘉墀等11位院士关于《我国仪器仪表工业急需统一规划和归口管理的建议》作出重要批示,时任国务院副总理的温家宝同志指出:“仪器仪表工业很重要”。

2.现实需求要求我国加强科学仪器自主研发。十六届五中全会明确提出了要把我国建设为创新型国家的伟大战略,《规划纲要》及其配套政策对我国自主创新能力的提升也提出了明确要求。当前和未来一段时间内,我国将对科学仪器有旺盛的需求。首先,《规划纲要》明确部署了未来15年我国科学技术发展的主要任务,任重而道远。工欲善其事,必先利其器,这些重大任务的实施对科学仪器提出了迫切的需求。其次,微观、宏观、综合和极端条件化是当今科学技术发展的重要方向,这对传统的科学仪器提出了新的要求和挑战,对重大精密科学仪器需求迫切。例如,电子显微镜是纳米技术研究必不可少的科学仪器,目前,在亚埃级电子显微镜的支撑下,国际一流的纳米技术已经到亚埃级别的微观尺寸,要保证我们的纳米技术处于国际一流水平,必然需要亚埃级电子显微镜,否则我们仅能处于国际二流的纳米级的水平。第三,环境保护、食品安全、生产安全、进出口贸易、医疗卫生等经济和社会发展的重要领域对科学仪器也有着重大需求,统计表明,这些领域对科学仪器的需求每年以约30%%的速度持续攀升。

3.我国已具备大力推进科学仪器自主创新的基本条件。在政策方面。全国科技大会召开,自主创新已深入人心,国务院发布的《实施〈国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)〉的若干配套政策》明确提出了支持自主创新的财税、金融、政府采购等政策,这些政策为科学仪器的自主创新提供了重要政策保障。在基础理论和方法方面。改革开放以来,在政府的大力投入支持下,我国已在许多与发展新的科学仪器相关的重要前沿领域,如微纳米技术、电化学、色谱学、化学计量学、光谱学、传感器等,在国际上占据了先发位置。在关键共性技术储备方面。通过“九五”、“十五”国家科技计划(专项)的实施,攻克了一大批核心技术、工艺技术,仅“十五”科技攻关计划“科学仪器设备研制与开发”项目,就攻克了核磁测井技术、液相色谱高灵敏度检测技术、微波源技术、光谱全谱技术、X射线小角散射技术以及微波消解等近30项关键技术。在人才队伍方面。我国已具备一大批活跃在国际科学仪器领域的研究、生产和管理的人才队伍,已经形成了一支老、中、青相结合,研究人员、工程技术专家和高级技术工人相协调的较为合理的人才队伍。在产业基础方面。通过国家长期以来的大力支持,逐步形成了一批以国有骨干企业、民营企业、转制的企业型科研院所和拥有自主核心技术的小型科技型企业为主体结构的科学仪器骨干企业。目前,量大面广的常规科学仪器市场占有率已由10年前的13%%提升为40%以上。

(二)基本思路和原则

1.发展思路:

坚持“自主创新、重点跨越、支撑发展、引领未来”方针,针对《规划纲要》提出的加强科学仪器自主研发,以及监测技术、检测技术、测试技术、勘探测试技术等工作的战略部署,采取原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新等自主创新模式,一是重视自主知识产权和标准的创造,以加强核心技术和关键部件为突破口,带动产生一批有自主知识产权的科学仪器;二是坚持项目、基地、人才建设相结合,促进一流人才和重大项目向科学仪器基地聚集,带动产生一批科学仪器研发基地和具有核心技术的企业集团,增强我国科学仪器设备的可持续创新能力;三是加强军民两用技术研究开发,鼓励高端军用技术向民用科学仪器转移;四是充分运用政府采购手段,加强政府首购和认购制度的执行力度,尤其是加大各类科技计划(专项)对自主研发科学仪器的采购力度;五是加强国际合作与交流,在进口科学仪器的同时,引进先进设计制造技术,鼓励我国科技人员与国外共同研发科学仪器;六是充分发挥政府资金的引导、调控作用,调动有关企业的积极性,形成以企业为主体,产学研结合的技术创新格局,同时,鼓励政策性金融机构等为科学仪器发展投融资提供便利条件。

2.发展原则:

战略导向性。一是,要加强受制于人的科学仪器的研发。二是,要提炼国民经济和社会发展急需解决的科学仪器的重大技术问题,重点组织力量开发和攻关。三是,推动一批科学仪器工程技术(研究)中心、国家工程实验室和研究开发平台建设,加强工程化研究和核心技术研究,增强科学仪器工程化能力和可持续发展能力。

技术前瞻性。选择一些有我国自主知识产权的优秀基础研究成果,瞄准国际前沿,研究开发出若干有特色的、能有效解决当前国际对我实行技术壁垒限制的新型仪器和关键部件。

继承延续性。要充分利用国家自然科学基金、中国科学院知识创新工程、973计划、863计划和科技攻关计划等科技计划(专项)形成的具有一定优势的核心技术,对可能形成重大突破的重大科学仪器给予重点支持,同时要充分利用已取得的重大成果和一切国际先进技术、管理经验。

系统配套性。一方面要充分利用现有国家重大科学工程等重要基础设施,加强与其配套设备的研究开发,另一方面要加强与科学仪器配套的专用技术、软件和试剂的研究开发。

(三)科学仪器自主创新发展方向

1.新技术新方法研究。科学仪器是成熟的测试技术和方法的物化,如先有了色谱学,后才出现了色谱分析仪器;先有了极谱法,后才诞生了极谱仪;先发现了X射线的衍射现象,后才出现了X射线衍射仪。测试方法和技术的创新性往往决定着科学仪器的创新性水平,诺贝尔奖等高水平奖项通常都是授予在方法和技术上有重大突破的科学家。为此,新技术和新方法研究对科学仪器的发展至关重要,要特别倡导开展一些科学仪器的新原理、新设计、新工艺的研究和开发。

2.重要科学仪器的自主研发。鼓励集成创新,充分集成光学、机械、电子、计算机、物理、化学、生物等方面力量,综合运用激光、超导、纳米、生物芯片、MEMS技术等高新技术,加强重要科学仪器的自主研发。一是攻克一批能有效带动和引领科学仪器行业发展的关键核心技术和核心部件,如高稳定光源、高分辨分光元器件、高性能检测器、新型质谱质量分析器、高效分离色谱柱及填料、EPC电子压力控制器及自动转换阀等关键部件。二是与生命科学、材料科学等新兴领域相关的重大科学仪器。这些领域直接关系到人类生存和发展、国家战略安全,又往往受制于人,而我国在这些新兴领域也具有良好的基础和技术储备。三是涉及我国独特资源和独特环境的科学仪器。如中药现代化研究、人类肝蛋白组学研究等所需的科学仪器,对我国特有农产品、工业品等品质分析的近红外光谱仪器,以及公共安全等仪器设备。四是与大科学装置配套的重要科学仪器。加强科学仪器与国家已建和在建的中子散射源、国家强磁场、上海光源和北京正负电子对撞机等大科学装置的配套性建设,充分发挥大科学装置在实际工作中的重大作用,拓展大科学装置的应用领域。五是国家计量基标准的建立。建立和完善一批国家计量基标准,推动一批重要计量基标准、标准物质及检测技术达到发达国家先进计量水平,填补若干不能参加国际比对的空白项目;应对国际单位制改革,建立和完善以量子物理为基础的、高准确度和高稳定性的计量基标准设备。

3.科学仪器升级改造技术研究开发。引进消化吸收再创新是符合我国当前国情的一种重要模式,《规划纲要》及其配套政策明确提出要加强重大装备、重大技术的引进消化吸收再创新。我们要坚持消化吸收和再创新,充分挖掘现有大量科学仪器潜能和利用水平,形成具有自主知识产权的相关技术,并推广应用。首先,加强重要科学仪器消化吸收再创新。在充分消化吸收现有重大科学仪器关键技术的基础上,开发具有自主知识产权的关键技术和仪器产品。其次,开展系统改造、升级。通过技术创新,对科学仪器中已不能满足实际工作需求的控制系统、数据处理系统及其软件等进行研究开发或技术升级,恢复和提升科学仪器的指标。第三,着力功能开发。研究开发与现有科学仪器配套的关键部件,拓展现有科学仪器功能,提升其性能指标。

4.辅助设备的研究开发。科学仪器通常由主机和试剂、软件模型、样品前处理设备等辅助设备组成。一方面,试剂等辅助设备往往成为科学仪器综合使用效果的重要因素。另一方面,重视科学仪器的配套试剂、样品前处理设备等的研发已是发达国家仪器厂商的重要发展趋势,辅助设备已成为现在和未来较长时间内科学仪器市场竞争的焦点。为此,我们要高度重视科学仪器的辅助设备的研究开发。

5.科学仪器成果二次创新。目前,在科技计划(专项)及其他渠道的支持下,我国已经取得了一批重要的科学仪器关键技术和成果,但是由于缺乏工程化研究、与有关领域实际需求严重脱节等问题,一大批成果离市场化还存在很大差距,这对国家来说是一种极大的浪费。我们要在前期工作所取得的关键技术和科学仪器的基础上,加强二次创新,一方面,开展工艺和工程化的研究工作,增强产品的稳定性和可靠性,另一方面,结合环境保护、食品安全、生产安全、进出口贸易、医疗卫生等实际应用领域的特殊应用需求,开展现有科学仪器成果的应用研究,提高现有成果的市场转化水平。

蓝图已绘就,正当扬帆破浪;任重而道远,更须策马加鞭。只要我们抓住新的机遇,将科学仪器自主研发摆在科技工作的突出位置,同步或早于国外起步加强重点领域的科学仪器研究开发工作,我国科学仪器自主创新必将有大的作为,甚至产生一批诺贝尔奖层次的重大成果。

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