中科院领跑科研仪器创新

　　

中科院领跑科研仪器创新 
来源:半月谈

        著名科学家王大珩先生曾说：“机器是改造世界的工具，仪器是认识世界的工具。”科学仪器的创新是实现科技原始创新最重要的手段，是开启原始创新之门的“金钥匙”。  

        而中科院实施创新工程以来，打造出一批我国自主知识产权的“金钥匙”。  

        据统计，迄今为止，约有1/3的诺贝尔物理和化学奖授予那些在测试仪器方面有重要创新的科学家。20世纪重大科学研究工程———人类基因组计划的完成也与科学仪器的发展密切相关：计划执行初期受分析测试技术的严重制约而进展缓慢，估计测序需30年才能完成。因此将重点转移到分析测试技术与仪器的研发，使测序的完成缩短到3年。  

        目前，我国在科学仪器的研究和制造方面与发达国家相比差距明显，对外依赖度过高。据统计，我国每年上万亿元的固定资产投资中，有60%是用于进口设备，高端科学仪器几乎100%进口。进口分析仪器总额2004年已突破20亿美元，且每年仍以30%的速度递增。  

        由于我国科技基础薄弱，因此不得不在相当长时期内跟踪及仿制别国已经试制成功的技术装备或产品。依靠进口仪器进行科学研究，已成为我国原始创新能力低于国际水平的重要原因之一。倘若满足于跟踪仿制，不仅摆脱不了落后的局面，而且我们的发展将被局限在别人走过的框框里。  

        中国科学院长期从事基础性、前瞻性、战略性的科学研究，从“两弹一星”、电子对撞机到6000米水下机器人，中国科学院研制的仪器在科研、经济及国防建设方面都发挥了重要作用。  

        中科院院长路甬祥强调：“一种新仪器新装备的诞生，往往是打开一个新方向新领域的关键桥梁。”创新工程建设期间，中国科学院加强了与科研装备有关的科学研究工作，截至2006年底，中科院科学仪器自主研制项目从最初的每年8项增长到每年40多项，取得了一批优秀的科研成果。  

        力学所研制成功我国第一座用于超燃冲压模型发动机的地面实验装置，打破了国际技术封锁，使我国从只能进行发动机部件研究，拓展到整体发动机研究，为在国家层面部署超燃冲压发动机研究工作提供了基本条件。  

        中国科技大学研制成功“纳米光镊系统”，是世界上第一台包含有三个独立光学微机械手的纳米光镊系统，对纳米生物学领域深入研究活体细胞和生物大分子个体行为具有极为重要的意义。  

        大连化物所李灿院士主持研制的“紫外共振拉曼光谱仪”，使中国科学院在催化表面基础研究领域处于国际前列。获得国际催化界的最高奖励“国际催化奖”，2005年荣获“何梁何利基金科学与技术进步奖”。2005年该所又成功研制了世界领先水平的氢原子里德堡态飞渡时间谱-交叉分子束装置，解决了国际上30多年来氟加氢化学研究中悬而未决的科学难题。  

        而“水质自动监测系统”替代昂贵的进口设备，将高科技用于环境水质监测；“瞬态紫外光电子能谱－飞行时间质谱仪”，用于大气污染评估，能迅速提供给奥组委全部数据报告。这两项全部自主知识产权的装备已经用于我国20多个城市的环境监测。  

        这些探索性的科学仪器研制，虽然规模有限，却已在中国科学院相关的前瞻性科学研究中发挥了重要作用。为了鼓励科技人员自主研发重要科学仪器，中科院推出了一系列激励政策，制定《科学院科研装备建设规划》。中国科学院作为科技国家队在科学仪器自主研制工作上必须起到“骨干”和“引领”作用，为在全国范围推动科研装备自主创新积累重要经验。  

        进入21世纪以来，由于生命科学、信息科学和纳米科学的大发展，科学仪器与装备正面临着新的发展机遇。从一定意义上说，谁掌握了与生命科学相关的最先进的科学仪器，谁就有了科技发展的优先权、人民健康的保障权、经济交往中商业标准的制定权以及控制突发事件的主动权。因此，在竞争中最能有效陷对手于被动的手段就是使其丧失仪器设备的创新能力。  

        中央确定未来15年我国科技发展的指导方针是“自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来”。因此，加强科学仪器自主创新是中国科技必须跨出的一步。

 

看似“配角”实为“核心”

2007年6月12日      科学网  

　　　　　　　　　　　　　　　　　　——王大珩院士谈仪器仪表的价值

  

王大珩院士，一位不会停止思索科技问题的科学家。如今，人们仍能惊奇地发现：92岁高龄的他，依然能够深刻洞悉科学发展的前沿，为中国科学事业的发展提出精辟见解。众所周知，他曾与王淦昌、陈芳允、杨嘉墀3位科学家一起向国家领导人倡议对中国科学事业影响深远的“863”计划。此外，他不时思考的主题还有科学仪器事业的发展，并数次会同许多科学家“上书”有关部门，中国应增强对科研仪器的研发力度，期待中国能够振兴仪器仪表工业。

　　他说，“仪器仪表对于科研和工业生产往往被看做‘配角’，而实际上早已成为中国科技发展和提升工业产品质量举足轻重的核心组成部分。许多事实证明，中国科技实力与经济发展的咽喉被卡在仪器仪表这一关口上”。

　　在堆满各种科技刊物的书房中，王老坐在老款式的沙发上，经常阅读中外关于科技的论著、现代科学仪器等多种学术期刊和报纸。当全国人大常委会副委员长、中科院院长路甬祥特别邀请他通过《科学时报》谈谈仪器仪表的发展问题时，他从几个重要方面给予了详尽的论述。

  

　　概念被混淆和误解

　　王老指出，发展仪器首先必须澄清一个概念，“仪器”不是“机器”。但人们经常认为仪器只是一种机械，是为机器配套的，仪器工业是机械工业的一个组成部分。这种概念，也许是因为国家把仪器工业归口机械部管理而形成的习惯印象；或者认为仪器仅仅是为科研服务的一种技术后勤。在学科上，仪器科技是机械学科的一个分支，或从属于有关工程学科，只是配套技术等等。由此，很长一段时间里，人们对仪器的认识产生了误区，对仪器所起的关键作用在本质上认识不够，甚至认为仪器不过是一种机器，从而导致这一领域的发展严重滞后。这是对概念认识不清造成的。

　　王老说，“事实上，仪器与机器有着很大差异。机器是改造世界的工具，以认识世界为基础；而仪器发展是建立在认识世界的基础之上的。正确的概念应当是：仪器是认识世界的工具，机器是改造世界的工具。仪器是对未知世界认识的科学工具，也是做为控制生产过程的工具”。

　　“从这个角度看，仪器属于信息技术科学。不是利用它作为改造世界的实物，而是做为优化生产的手段，从获得信息作为行动指导。仪器是认识世界的信息原始数据的源头。信息技术有以下几个层次：信息的获取依靠仪器传感器，信息的储存，信息状态转化，信息的传输，信息的显示，信息结果的分析。获取信息作为信息科技的源头，一切都从它开始，在信息科技中占有重要地位”。

　　王老认为，我们应当把仪器和机器放在同等的地位，把仪器工业与机械工业同等看待。仪器是机械学、电子学、光学、计算机技术、材料科学、物理学、化学、生物学等学科和先进技术综合的高技术产物。

  

　　科学研究的推进器

　　据王老助理介绍，上个世纪40年代初，王老曾供职于英国伯明翰昌司玻璃公司，任研究实验部物理师，研制出V-棱镜精密折射率测定仪器，成为工业上的有效工具。他把测量玻璃等光的性质精确度从4位数提高到5位数，并由此获得英国仪器协会第一届“青年仪器发展奖”。

　　王老说，“当代科学研究没有先进的仪器是难以取得创新成果的，科学仪器经过几十年的发展已从配套设备转变为核心部件”。

　　王老认为，从国内看，“两弹一星”成功研制，科研仪器是开门旗舰。所需的仪器装备在当时国际封锁条件下，不可能买到。这些技术装备，只有依靠自己的科研人员研发，保证全部实验稳妥可靠，万无一失有序进行。

　　中国科学院长春光机所资料记载，在“两弹一星”研制过程中，在我国第一次核爆试验之前，王老指导改装了用于火球发光动态观测仪器——高速摄影机。在我国研制返回式卫星时，在其装备需要有对地观测相机，且这种相机既要经得起发射的震颤，又要保证长期正常工作。王老亲自组织协调成立了一个专门从事空间相机研制的科研部门，攻克种种难关。经过一段时间的努力，他指导的团队研制出多种型号相机，最后陪伴着返回式卫星飞上天空，并在卫星返回后带回了“地球村”的重要图象。上世纪80年代，我国向南太平洋发射远程运载火箭，“远望号”航天测量船出色地完成了火箭再入段的跟踪测量任务。而“远望号”测控使用的先进“装备”之一，即是王老率领的中国科学院长春光机所研制的光学设备。这套设备所解决的问题是世界远洋航天测量的稳定跟踪、定位、标校和抗干扰等技术前沿课题。

　　他说，“从国际上看，约有1/4诺贝尔物理学奖获得者的研究工作与仪器的研制有关。如，美国斯坦福大学物理系教授肖洛，在实用激光器诞生之后，带领其研究小组致力于激光光谱学研究，并与合作伙伴对复杂的化合物进行深入研究，创造出饱和吸收光谱与双光子光谱等多种方法，有效提高了仪器的分辨率。由此，他与合作者分享了1981年诺贝尔物理奖。高端科研仪器，如电子显微镜、质谱仪、CT  断层扫描仪、X  射线物质结构分析仪，光学相衬显微镜，扫描隧道显微镜等科学仪器，不仅仅用来探索自然规律，积累科学知识，而且在科学技术的重大成就和科学研究新领域的开辟方面发挥出重要作用。仪器的进展代表着科技的前沿，科学仪器的发展和创新应是国家科学发展的支柱。能不能创造高水平的新式科学仪器和设备，体现了一个国家的创新能力。人类基因结构的发现，就是应用现代先进的科学仪器获得的重要成果”。

　　他提醒人们注意，现代生物学的发展可谓伴随着仪器的进步而发展。如显微镜的发明，直接导致细胞的发现，因而引发了生物学的飞跃。质谱仪的发明与使用，为元素及其同位素的定性定量分析提供了精确数据，导致了核能的有效利用。

　　“科研仪器是认识世界的工具，凝聚着人类智慧，并成为科学研究的物质基础。这也说明仪器是发展科学事业的物质基础和原动力。因此，评价科研成果应当有现代科学仪器发展的功劳”。王老十分感慨。

　　王老同时强调，发展中国的科学仪器固然需要重视自主创新和自力更生，但不是说仪器一切都要自己制造，或者完全排外。购买国外先进仪器设备开展科研工作是无可厚非的，也是需要的，但必须避免由此衍生对进口仪器依赖的倾向性，或盲目崇拜。“工欲善必先利其器”，许多原始创新成果都缘于创新性仪器设备完成。在生物领域基因研究是创新，基因工程解密生物机密，产生许多规律性的发现。但最重要的是首先发展了研究基因工程的科学仪器和设备，没有这一创新条件，基因工程不可能取得进展。

  

　　仅占工业总值4%  影响度达66%

　　“仪器对于保证产品质量和规范化生产，都有重要意义。生产过程中某一环节出现问题不被察觉，会导致全厂的毁灭。如前苏联切尔诺贝利核电站事故。现代核能生产如果没有仪器仪表控制整个生产过程，安全就无法保证。总之，仪器对于产品质量和安全生产所起到保障作用有普遍性重要意义”。王老接着阐述了仪器在生产中的意义。

　　他以钢铁生产技术变化为例阐述自己观点。

  

　　“我国过去的钢铁生产是依靠经验丰富的老工人。因为，只有老工人能够凭借经验，看出炉膛中熔化钢铁的颜色变化之后，才能确认钢铁出炉的时间。而现代化钢铁生产车间，主要是青年人在操作，因为有先进的仪器仪表精确测量控制钢铁冶炼过程的温度和成分。由此钢铁工业发展中，仪器仪表的设备投资比例很高。如，宝钢全部设备投资的1/3，用于测试控制设备”。

　　他介绍，现代工业中炼油、化工、冶金、电力、电子、轻工、纺织等，如果没有先进的仪器仪表发挥其检测、显示、控制功能，就无法正常连续安全生产。即使原来认为可以土法生产的制酒工业，今天也需通过仪器仪表严格控制温度流程才能创出名牌。

　　美国国家工业技术研究院(NIST)统计，美国为了质量认证和控制、自动化及流程分析，每天要完成2亿5千万个检测。要完成这些检测，需要大量的种类繁多的分析和检测仪器。仪器与测试技术已是当代促进生产的一个主流环节。美国商业部国家标准局(NBS)，90年代初评估仪器仪表工业对美国国民经济总产值(  GNP)  的影响作用，提出调查报告：仪器仪表工业总产值只占工业总产值的4%，但它对国民经济的影响达到66%。

  

　　多学科融合需要协同作战

　　“在1956年的《十二年国家科学和技术发展规划》中，其第54项政府提出了包括光学仪器在内的仪器仪表发展规划，我是这个规划项目的执笔人。后来，在聂荣臻副总理领导下的国家科学技术委员会成立了仪器仪表专业小组，我担任这个专家小组的组长。从那时到现在，我与仪器打交道已有60年历史。如果从我注意实验物理的时间算起，已经有70年了”。交谈中，王老回忆起自己的经历。

　　据悉，“两弹一星”之后，1979年国家成立了中国仪器仪表学会，第一任理事长是中国科学院声学所的汪德昭院士，第二任即是王老。

　　他说，“国家在当时的一机部成立了仪器仪表工业总局，管理国家的制造业。但是，仪器比较小，比较精密，在生产产值上无法与机械工业比高低。由于管理部门缺乏对仪器仪表重要性的认识，影响了国家仪器仪表事业的发展。改革开放后，一机部也解散了，仪器仪表工业总局随之消失。从整体看，近些年仪器仪表实际上国家没有人管理，原有的企业协作体系也消散了。市场化后，企业都希望做整机。这是发展中出现的混乱局面”。

　　王老继续分析说，“目前，国际仪器仪表自动化技术在不断提高，它不只是解决测量的问题，而且发挥出控制作用。仪器仪表通过与电子技术和自动化技术联为一体，不仅成为获取信息的工具，而且从测量走向了控制”。

　　王老沉思道，仪器仪表的内涵较之以往发生了很大变化。其自身结构已从单纯机械结构，发展成为集传感技术、计算机技术、电子技术、现代光学、精密机械等多种高新技术于一身的系统，其用途也从单纯数据采集发展为集数据采集、信号传输、信号处理以及控制为一体的测控过程。特别是进入21世纪以来，随着计算机网络技术、软件技术、微纳米技术的发展，测控技术呈现出虚拟化、网络化和微型化的发展趋势，从而使仪器仪表学科的多学科交叉及多系统集成而形成的边缘学科的属性越来越明显。

　　利用现代微制造技术、纳米技术、计算机理论、仿生学原理、新材料等高新技术发展新型科学仪器己成为主流。如微型全化学分析系统、微型实验室、生物芯片、芯片实验室等。如正在发展的芯片型自动分析元件，它不仅仅有测试功能，这里执行的是分离、反应等操作。综合这些芯片的功能将组成微型的分析仪器，进而形成芯片实验室。

　　他认为，在一些重大科学前沿研究中，科学仪器成为重大复杂的科研工程测试及研究手段。大型天文望远镜，高能粒子加速器，航天遥感系统等都是由诸多分系统集成。这些分系统都是由高新技术武装起来的。然而，目前国内仪器仪表研制组织上比较混乱。相同产品，品种不少，比较缺乏先进的技术内涵。例如，仪器仪表正与生物科学研究发生密切关系，生命科学的研究需要尖端科学仪器。这是对仪器仪表行业提出的新挑战。当年他们提出的建议，并没有得到认同，这是中国落后的表现。从生物技术发展看，中国落后了不少。当前国家科技事业的发展，中国正处于一个新的机遇期，从发展形势看，振兴仪器仪表事业需要充分发挥各方面积极因素。现在，中国最关键的是如何把不同行业的专家组织在一起，仪器仪表是综合交叉学科，具有多样性，需要各个方面力量的协同作战。