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全文复制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
