注定冷的板凳

2020-11-04

  冰点特稿第1203期
  注定冷的板凳

  第十届中国国际科学仪器及实验室装备展览会上,一款国产电子显微镜。视觉中国供图

  中科科仪生产的扫描电镜可以观察癌细胞。中青报·中青网记者 杨杰/摄

第十五届南京国际教育装备科学仪器展览会开幕。视觉中国供图

第十四届中国科学仪器发展年会上的展商。受访者供图

  9月,第十四届中国科学仪器发展年会在天津举行。受访者供图

  做实验的科学工作者把科学仪器称作“吃饭的家伙”“研究的拐杖”。

  它娇贵,北京16号线地铁修建时,特意绕开北大精密仪器楼。

  它能干,追求极致的性能。拿一张沾着有机溶剂的试纸擦一下苹果表面,能准确地测出是否有农药残留,像在一麻袋红豆中,一眼找到一颗绿豆。全国最大的蔬菜种植基地山东寿光,借助质谱仪,20秒就能一次性筛查200多种农药。

  它能从10公斤面粉里找出1克毒品,能把一根头发分成6000万份后还能看清……科学仪器触摸到人力不可及的角落。激光干涉仪可以检测几亿光年外黑洞运行中产生的引力波;电子显微镜可以重构分子和原子级别的真实形态,科学仪器能抵达遥远和渺小的未知世界。

  科学仪器不会直接改变世界,但常能引发科学研究的重大突破。在2019年以前的诺贝尔奖中,72.6%的物理学奖、81.1%的化学奖、95.5%的生理学或医学奖都是借助尖端科学仪器完成的。

  1991年,年夫顺要造一件他从没见过的科学仪器。

  那时他29岁,小孩刚出生,还被叫做“小年”。在安徽蚌埠的偏僻角落里,他和几个刚毕业的研究生穿朴素的工装,脑袋里装的是怎么造出世界上最先进的微波矢量网络分析仪。

  现代生活的“物质法官”

  科学仪器就像我们身边“陌生的熟人”,无时无刻不在影响我们的生活。2019年,我国710万台检验检测设备,每天源源不断地生产出144万份报告。

  9月16日,在第十四届中国科学仪器发展年会上,来自公安部的工程师展示了借助质谱仪办案的过程。质谱仪是当今最具发展前景的科学仪器之一,如一座看不见的天平,它利用电场、磁场将运动的离子按质荷比进行分离和检测,可以快速鉴定出样品中化合物的分子量和结构性质。9位科学家因为质谱获得过诺贝尔奖,2008年北京奥运会的兴奋剂检测、南北极科考都用到了质谱仪。

  公安部的工程师每个月有20天驻扎在云南,用质谱仪检测行李箱包、轮胎设备,寻觅毒品痕迹。因为高灵敏性,它能在吸毒者摸过的东西上检测出毒品,不需要跑实验室,现场快速定性。警察还曾在烧水壶的夹层里发现毒品,在看似无恙的水里发现溶解的冰毒。

  一种叫做检漏仪的科学仪器如其名,检测“漏气”。1971年,中科院科学仪器厂研制出一款国产检漏仪,曾为毛主席的水晶棺检漏。在科学仪器中,灵敏的氦质谱检漏仪能检测出打火机最细微的泄漏,细微到何种程度?漏完一整个打火机需要500万年。

  泄漏是航天的大敌。1986年,美国“挑战者”号航天飞机在升空73秒后爆炸解体,7名宇航员罹难。事故的原因就是一个不起眼的密封圈失效,引起泄漏,最终导致美国宇航局也是人类太空探索史上沉重的悲剧。

  中国仪器仪表学科奠基人王大珩院士曾说:“仪器仪表是工业生产的‘倍增器’,科学研究的‘先行官’,现代生活的‘物质法官’。”在如此重要的高端科学仪器领域,中国并非强国。

  2018年,美国化学会旗下的《化学化工新闻》发布了全球仪器公司榜单,在前20家公司中,有8家是美国公司,7家来自欧洲,5家公司位于日本。中国企业没有入选。“按照仪器的销售额来算,前50都没有中国企业。”年夫顺说。

  年夫顺是中国电子科技集团第41研究所首席科学家,“小年”如今已经成了“老年” ,头发不可避免地变成花白。他是中国仪器仪表学会的会员,也是科技部“十三五”科学仪器专家组的组长,很多时候,他需要站在国家层面统筹。

  我国是科学仪器进口大国和贸易逆差国。中国仪器仪表学会的资料显示,2016年进口仪器仪表449.6亿美元,仅次于石油和电子元器件,是第三大进口产品。从2018年和2019年的海关数据来看,科学仪器整机进口额是出口额的4-9倍,如果出口量有鼠标那么大,进口量就相当于是键盘。

  国家市场监督管理总局认可与检验检测监管司曾对31个省级生态环境监测机构的检测仪器进行摸底,国外设备占总值的86.8%。

  越是高端,越依赖进口。价值200万元以上的质谱类、电子束类和X射线类设备,国内市场在2014年到2019年购置了3000多台,其中进口的设备占96%以上。

  2018年12月的深夜,北大核磁中心里,白雾从一台800兆赫兹谱仪的液氦充填口中喷出,伴随尖锐声响。仪器进口自国外一家垄断企业,之后的售后服务并不能让人满意,北大核磁中心发布公开信维权,加入声讨队伍的用户越来越多。

  清华大学精密仪器系博士生王宇晨很能体会这种感受,“维修仪器、备用件的开销很大,我们都小心翼翼地用,避免用坏。”他使用的仪器是一台质谱仪,日常用于物质的化学成分分析,大型质谱仪的体积像个大号的双开门冰箱,“如果把仪器当成一个人的话,它可能是研究生生涯中你接触时间最长的一位,很熟悉怎样让它保持好的工作状态。”他每周要擦几次表面。

  年轻的王宇晨正沉浸在与仪器打交道的乐趣中。“一台仪器,具象的东西摆在那,你通过不断探索它的内部性能,让它发挥最大的用处,这是工程师该做的事,比较酷。”

  但有时这种探索不得不因为进口仪器昂贵的维修费用而止步。“我们会避免相对危险的操作,比如这台仪器加10个分子不会因短路而失效,而加1万个一定会短路,那我们在实验中能不能加500个分子?加1000个呢?到底还能加多少?不敢尝试。”

  进口科学仪器自改革开放后涌入中国的高校、科研院所和检验机构,像越拉越长的影子覆盖国内市场。目前,国产龙头企业占国内市场的比例只有一成,另外的蛋糕大多被美、德、日抢占。

  如今,国际形势冷暖骤变,人们开始意识到高端科学仪器依赖进口存在风险。

  一些企业已经开始在国产仪器中寻找备份,一家国产仪器厂今年上半年的销量比去年整年都多。对国产仪器来说,这是一个机会、勇气、动机合而为一的时刻。

  一个国产仪器的诞生

  上个世纪90年代初,“小年”刚来41所几个月,一天突然被叫到所长办公室,一屋子的中层以上干部,年夫顺有点吃惊,听到后来才明白,一个仪器的核心部件,国外突然“断供”,所里临时决定成立攻关小组。年夫顺是学电磁场与微波技术的,被抽调来,与一位结构设计人员和工艺设计人员组队,每个星期汇报进展。一年时间,问题被解决了。

  如今,3人的攻关小组已经发展至三四百人,仍保留着一周工作六天半的传统。那时,在一层楼大的开间里,做实验、办公、设计都在一起,每天晚上加班到11点。

  接到制造微波矢量网络分析仪的任务时,年夫顺只有5年时间。“一切从零开始。”他没见过这种仪器,一次,听说在上海搞展览,年夫顺和同事赶了过去。在一家五星级酒店,他们围着这台比人高的仪器看了又看。不记得一共看了多少次,一旁的工作人员都好奇了,问他们是哪个所的。

  年夫顺还在国家专利局待了一个星期,把所有国外公开的相关专利都看了个遍。那时专利的摘要保存在缩微胶片上,他得借助机器一行行地看,最终收集了厚厚一摞,作为设计的参考。

  但国外的专利只提供不同点位上的火花,如何把他们连起来,年夫顺和同事们还是一头雾水。“心里没底,不知道会遇到啥问题,吃饭睡觉都在想,着了魔似的”。仪器的科学原理摆在那,有时尝试摸了很多次,就是摸不着。一个刚来的研究生被安排做压控振荡器,做了两年没做出来,人走进死胡同。“科研就是这样,方向走不对,一两年白费。”

  2002年诺贝尔化学奖得主田中耕一有几年的时间都在重复练习失败。他只有本科学历,沉默寡言,是仪器公司里最本分的那种职员,连科学家都算不上。他的工作是将几百种不同辅助介质涂在质谱仪上,测试哪一种信号高,并将这个过程重复几千遍几万遍。

  他最终能得诺奖还是因为一次失误,把人们用来涂脸的甘油酯错当成丙酮醇加入了样品,一不小心帮助人类看清了生物大分子是什么样子。

  “如果不是这么反复辛苦地去做,连犯错的机会都没有。”一位研制质谱仪的专家说。

  年夫顺的一位同事曾陷在取样器的迷宫里,设计出来的东西怎么都不能正常工作。一日,安徽热浆糊般的夏天糊在人的身上,年夫顺正在午睡,同事突然来了电话,“我想起是什么问题了,这次肯定对了,咱俩到实验室试一下。”他听出同事的兴奋,已经等不及下午上班再验证。爬起一做实验,果然成了。窗户纸捅破后,带来难以名状的成就感。

  迷茫的时候、想不出来的时候、累的时候,年夫顺只有一个爱好,听地方戏。他小时候在安徽农村长大,没什么娱乐活动,地方戏算是最热闹的一个。如今,他在电脑里存了很多,听着听着就睡着了,好像回到从前,好像没了压力。

  年夫顺的父亲不知道儿子在做什么,只知道“是为国家作贡献”。在弥留之际也不敢打扰他的工作。母亲走得更早,那年4月,母亲身上有个疙瘩,年夫顺说忙完这段带她去检查,结果一直在忙。11月,母亲发烧,再看已是癌症晚期,“早几个月发现,也许还能做手术。”

  1995年12月,国产的微波矢量网络分析仪问世,中国成为继美国后,第二个生产出这个科学仪器的国家,且只用了一半时间。在北京新大都饭店,200多名专家被邀请来参加新仪器的鉴定会。年夫顺扶着仪器把手给大家讲解,主管机关的领导看见了,骂他:“小年你怎么搞的,这么贵的仪器,你手上有汗,怎么能用手摸呢?”

  鉴定会上午开完,效果很好,但吃完中饭后,很多专家不走,把仪器围了起来。“他们非要打开机器看,不相信全是国产的。”

  来自各大科研院所的专家拿着螺丝刀把机器拧开,“一看就是我们做的。”国外产品的微波部件是镀金的,黄灿灿,很漂亮,“我们镀得黑不溜秋,被戳得一道一道。”

  开完鉴定会后,41所生产了十几台仪器准备卖给客户。就在这个当口,仪器却突然蓝屏了,曲线消失,像手机死机。

  一切重新归零,年夫顺跟团队扎在实验室做实验找原因,搞了几个月没有结果。有一天晚上11点,大家都累了,年夫顺说“今晚就到这吧”。话音刚落,一个同事“啪”一下就把计算机关了。神奇的是,蓝屏突然恢复正常,电脑一开,蓝屏又出现了。

  “最后发现就是计算机干扰,电磁兼容问题,干扰了视频显示的卡,把计算机挪远一点就没问题了。”

  已不年轻的“老年”笑着合上了那段记忆,这些年,他身边很多人离开了公司、放弃了行业,但老友相聚,回忆起的还是那段虽然艰苦但值得津津乐道的日子。在那个开荒的年代,有那么多机遇,有那么多问题等待解决。

  年夫顺1979年上大学时,家里还没有电,点煤油灯照明。收音机是农民家里的大件,他选专业时,挑了无线电技术,为的是学会修收音机。

  过年,他用从22.5元的助学金里省下来的钱买了电烙铁和万用表带回家。很多人拿着收音机找他,结果因为没有电,电烙铁无法使用,闹了很大笑话。

  “人生不是想干什么就干什么,是需要你干什么就干什么,我这辈子都是被需要的。”直到现在,年夫顺也不能修一个完整的收音机。

  “仪器做出来了,长得也像,可是体质不好”

  在科学仪器发展年会的现场,顾客和展商的交流里,常会出现“进口的,还是国产”的疑问。尽管一些仪器宣称国产,但关键部件仍然依靠进口。一款起着中国名字的震动筛分仪,内里的电机和筛网都是德国进口的。

  科学仪器在新中国的起点始自1955年,当时制定了12年科技远景规划,成立仪表总局。上世纪50年代到80年代,两弹一星涉及的仪器大部分来自国内。直到改革开放,人们觉得“造不如买,买不如租”,大批进口仪器在免税政策的加持下攻城略地。

  年夫顺所在的电子测量仪器领域,当年全国有100多个厂,千人以上的大厂就有十几个,现在几乎全部倒闭或转制 。研制电镜的厂家从上世纪60年代的十几家,缩减到目前只有中科科仪一家。

  王宇晨对比过国产仪器和进口仪器的差别,“通俗点说,如果用收听广播来比喻的话,国外的仪器能收到主持人清楚的说话声,没有背景杂音;用国内的仪器虽然也能听到声音,但会伴有滋啦滋啦的噪声。”国产仪器质量与进口产品比,普遍在性能、寿命、稳定性等方面存在差距。

  用来缉毒的国产质谱仪虽灵敏,误报率却也不低,香水、面膜中所含的化学成分相近的杂质容易引起报警。“仪器做出来了,长得也像,可是体质不好。”年夫顺说。

  李赏是中科科仪的真空技术研发中心主任,35岁,工作疲惫到随时能睡着。中科科仪的前身是科学仪器厂,曾给水晶棺检漏,如今,李赏参与研制的磁悬浮分子泵仍与抽真空相关。

  它是真空获得设备,轴悬浮在保护轴承之间,只有0.2毫米的距离。当它应用在半导体生产时有一个技术难点:工艺过程中产生的一种废气,在70-80摄氏度时是气体,低于这个温度会变成一种胶状物质,附着在0.2毫米间,令高速运转的分子泵和科研人员崩溃。国外的技术已解决这些问题。

  李赏和同事们常常下午在北京开会讨论出想法,晚上开车到廊坊找私营老板加工,图纸也来不及画,只拿手勾,被叫醒的工人再照着去做。“一改方案,马上要知道结果。”有时设计出问题,有时工艺出问题,有时制造出问题,失败总是多于成功。

  他认为,国产仪器需要经历国外企业类似的试错过程,此方面几无捷径可走。行业巨头赛默飞世尔的研发人员,花了10年时间改进质谱仪的核心元件,造出了全世界分辨率最好、也是最小巧的仪器,单台售价上百万美元,供不应求。

  经过如渡劫般的层层实验,李赏和同事们花了两年时间做出3个型号的样机。新产品出炉那天,最腼腆的研发者也笑了起来,性格开朗的直接抱住了身边人。同事们拿着酒精棉一点点擦拭仪器表面,将它放进薄膜套中,再装入泡沫箱,一堆人捧着走出实验室。“这里面投入的不光是技术,还有感情。”别人看来那只是一堆冷冰冰的铁疙瘩,但在研发人员眼里就像自己的孩子。有的企业的研发人员干脆入驻工厂,全程盯着配件,不允许出现一个刮痕。

  李赏如今不只纯做技术,还要涉及企业管理和拓展市场。“没有市场需求对企业来讲是最核心的问题。”他回顾过去,做技术时,物理原理放在那里,找到了就解决了问题,就算找不到它也不会跑。产业化的过程则不同,市场瞬息万变,未知像从前的烟雾一样罩下来,只能伸出手摸着走。

  接近10年的工作生涯中,李赏最有成就感的一刻发生在一场行业聚会上,晚上大家一起吃饭,一个客户跑到他的桌前,说“你们这个产品真好,比国外都好,真空抽得表都测不到。”

  市场是需求,是动力,是根本

  科学仪器的专家们乐于谈论一个数字。整个“十三五”规划期间,5年里国家层面给予科学仪器的研发投入总共80多亿元,与之对比的是,仪器名企赛默飞世尔2019年一年的研发投入超10亿美元。

  作为中国科学院电工研究所的副所长,韩立对于电子显微具有深刻的认识。他说“现在正在使用的透射电子显微镜,两米高的垂直结构,能够对于原子结构进行成像”。

  从成本构成上来说,目前高档透射电镜售价达3000万元,中等扫描电镜四百万元。韩立计算过,两者之间的部件差价绝不会超过2000万元,透射电镜的利润如此惊人,但国外企业仍不赚钱,甚至砍掉透射电镜产品线就是因为研发投入巨大。“公司维持了一大批可以和我们的大学教授平起平坐的、高水平的研发人员,其收入甚至超过美国的大学教授。”国际领先仪器企业的研发投入往往会高出国内企业2-3个数量级。

  对国内企业来说,这不是一场理性的投资,本金常常数以千万元计,周期5年、10年,等来的很可能是已经过气的东西。做真空设备的李赏说,企业投了许多钱研发,等产品问世又可预料地会受到国外打压,分子泵国产化后,国外产品售价从十几万元降至4万元,“企业自己很难下定决心去搞研发,市场也不大。”

  今年,国家和地方政府对中科科仪的投入增加了18倍,从过去的几千万元上涨至今年上半年的3.8亿元。但国家经费有限,又比较分散,很难培养出世界知名的企业。“十三五”期间,科学仪器专项共安排项目145个,僧多粥少。

  年夫顺认为,政府的科研经费是输血,不是造血,还得要靠企业自身。但因为国产仪器先天不足,体质不好,在与进口仪器的对战中,常常无法出线。

  李赏设计的磁悬浮分子泵的叶片限速度是300多米每秒,跟子弹的初速度一样,仪器最多能达到500赫兹,这对材料的强度要求很高。

  李赏找了国内最好的铝合金生产企业,还是不能提供理想的强度,“我们只能从500赫兹降到450赫兹,因为材料扛不住。”降低频率,意味着仪器的核心性能减弱,“抽真空没有人家快,只能降价跟国外竞争。”通常,他们的定价是国外产品的70-80%。

  “有的客户不愿意为省几万元而冒险使用国产的,如果生产线上一炉子芯片废了,损失远超省下的钱。”李赏说。

  科学仪器技术门槛高,任何单项短板都会给整个仪器开发带来极大风险。譬如,冷冻电镜整机就涉及机械、材料、光学、生物、计算科学等学科,任何一个点出问题,整个项目可能都会失败。

  年夫顺所在的中国仪器仪表学会这些年做过调查,对仪器的16类名词进行检索后,发现中国申请的专利和发表的论文在国际上排名第一和第二。在全国,有280多个高校有测试计量专业。年夫顺认为,这说明我们在知识上不差。

  然而知识和市场是脱钩的。论文的作者集中在高校和研究机构,不在企业。有学者指出,发达国家研发投入、工程化投入、产业化投入的合理资金比例是1∶10∶100;我国比例是1∶0.07∶100。

  负责单位科技成果转化的韩立认为这样也并非易事,国外一些转移机构的成果转化成功率也只有7%,其中一点就是“科研人员刚拿出来的样机实在太不可靠了,很多科研人员没有工程化的能力,自己操作可以,换个人就不行。”旁人得小心翼翼听指令操作,以防“砰”一声把仪器烧了。

  理想的组合是,企业擅长批量生产和销售,科研人员提供技术。在美国的论坛上,研究者在上面作报告,企业在下面听,当场把技术买下来变成企业的研发,等时机成熟时推出市场。

  高端仪器的市场是一个摆在高楼上的小块蛋糕,世界第一的企业销售额大约只相当于我国房地产行业的第56位,低于一个许多人没有听说过的地方房企。年夫顺所在的国产仪器龙头厂商拼尽心思扩大市场,他们向用户承诺,产品出了问题会在24小时内到达现场。一些买家仍然担心国产仪器的性能指标和质量可靠性,他们就让客户拿去试用,不好再退回来,有人试用了一年。

  姜山出现在中国科学仪器发展年会上,发言积极。他原先是中国原子能科学研究院的研究员,现在离开体制内,自己创立了一家叫启先核科技的企业,生产加速器质谱仪。他与仪器打了半辈子交道,已经“人机合一”,像开车一样自如地使用庞大的加速器质谱仪。

  “对企业来说,第一个订单非常重要,有了订单企业就活了。”他的公司处于初创阶段,接下了一两个订单,“我永远记得他们。”

  市场是需求,是动力,是根本。年夫顺说,“有人去做,才会打破垄断。”也有一些企业采取田忌赛马的策略,试图在细分赛道上获得比肩国外的竞争力。

  非国产不可吗

  韩立在电镜联盟群里参与过一场讨论,有专家就说,我们真的要挨个把每个仪器都做出来吗,别人做出来我们用不行吗?

  一台仪器背后,牵着无数线头。

  “仪器的背后是学科,有一些类型仪器发展不起来,让人真正担心的是相应学科的弱化。”韩立说。如质谱、电镜和X射线仪器背后是由真空电子学支撑,我们的科研能力已大不如前。另外,外部环境也要求“每个东西都得掌握,要不腰杆儿不硬”。

  许多业内人士认为,国产仪器的质量缺陷与基础机械工业体系相关。清华博士生王宇晨举了个夸张的工艺学例子,假如我们要做一支圆柱形的金属杆,设计要求直径为5厘米。但设备加工有公差,得到的金属杆直径可能有5厘米、5.1厘米或4.9厘米。做100个这样的杆,国外设备制造的有90个满足要求,同时能准确挑出来;但国内制造的可能只有70个满足,而且不知道哪些杆是合格的。平均误差的增加和品控测量能力的缺失导致良品率低下。

  即便是最简单的拧螺丝,工人拧松了,拧紧了,距离近一点,或是远一点,在科学仪器制造领域,这些差异会导致完全不同的结果。

  中科科仪生产的磁悬浮分子泵像一个圆桶,身上插满叶片。细看之下,每根叶片都是根上粗,尖上薄,叶片扭着身子,且角度都不一样。这是经过反复实验决定的结构,它需要五轴联动数控机床去加工,零件在转,刀具也在转,一次装夹就能完成五面体的加工。机床来自瑞士,600多万元。

  瑞士从事机床生产的企业大约20多家,支撑瑞士钟表和其它精密制造行业。在人才培养上,从10年级(16岁)起,超过80%的瑞士学生选择进入职业技术学校开展3-4年的“双元制” 学习。只有不到两成的学生选择读大学。

  正在创业的姜山,立志做出一件超越国外的仪器。“科学仪器生产出来时,解决的是最急需的科学问题,等到包装好、穿好衣服卖到全世界,已经不大可能做出最高水平的实验。”

  中科院院士、美国国家科学院外籍院士、两弹一星功勋奖章获得者周光召说,依靠高价买来的现成仪器设备,跟在别人想法后面亦步亦趋,固然容易发表SCI论文,却不能实现根本性的突破。

  姜山认为,在科学仪器领域,20年才能磨练出一位领军人物。因为科学仪器涉及的知识和技术点多,每搞懂一个问题可能都需要5年时间,这是个长期坐冷板凳的过程。

  机器是改造世界的工具,仪器是认识世界的工具。人类早就摆脱了直接借助感官了解世界的时期,现在需要借助科学仪器来延伸人的感官。人们之所以不断将原子核打碎,把中子、质子打开,就是为了一步步接近真理,积攒人类共同的知识。

  “这需要依靠全球的合作,动用无数最聪明的脑子,共享数据,从不同侧面去探索,共同推动对未知世界的认识。”韩立说。

  中青报·中青网记者 杨杰 来源:中国青年报

【编辑:张楷欣】