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 楊傑/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“吃飯的傢伙”“研究的柺杖”。
它嬌貴，北京16號線地鐵修建時，特意繞開北大精密儀器樓。
它能幹，追求極致的效能。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，藉助質譜儀，20秒就能一次性篩查200多種農藥。
它能從10公斤麵粉裡找出1克毒品，能把一根頭髮分成6000萬份後還能看清……科學儀器觸控到人力不可及的角落。鐳射干涉儀可以檢測幾億光年外黑洞執行中產生的引力波；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藉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裡，他和幾個剛畢業的研究生穿樸素的工裝，腦袋裡裝的是怎麼造出世界上最先進的微波向量網路分析儀。
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710萬臺檢驗檢測裝置，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藉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，可以快速鑑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天駐紮在雲南，用質譜儀檢測行李箱包、輪胎裝置，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裡發現毒品，在看似無恙的水裡發現溶解的冰毒。
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製出一款國產檢漏儀，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洩漏，細微到何種程度？漏完一整個打火機需要500萬年。
洩漏是航天的大敵。1986年，美國“挑戰者”號太空梭在升空73秒後爆炸解體，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，引起洩漏，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’。”在如此重要的高階科學儀器領域，中國並非強國。
2018年，美國化學會旗下的《化學化工新聞》釋出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家公司位於日本。中國企業沒有入選。“按照儀器的銷售額來算，前50都沒有中國企業。”年夫順說。
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” ，頭髮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，僅次於石油和電子元器件，是第三大進口產品。從2018年和2019年的海關資料來看，科學儀器整機進口額是出口額的4-9倍，如果出口量有滑鼠那麼大，進口量就相當於是鍵盤。
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，國外裝置佔總值的86.8%。
越是高階，越依賴進口。價值200萬元以上的質譜類、電子束類和X射線類裝置，國內市場在2014年到2019年購置了3000多臺，其中進口的裝置佔96%以上。
2018年12月的深夜，北大核磁中心裡，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，之後的售後服務並不能讓人滿意，北大核磁中心釋出公開信維權，加入聲討隊伍的使用者越來越多。
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。”他使用的儀器是一臺質譜儀，日常用於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。”他每週要擦幾次表面。
年輕的王宇晨正沉浸在與儀器打交道的樂趣中。“一臺儀器，具象的東西擺在那，你透過不斷探索它的內部效能，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。“我們會避免相對危險的操作，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後湧入中國的高校、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，國產龍頭企業佔國內市場的比例只有一成，另外的蛋糕大多被美、德、日搶佔。
如今，國際形勢冷暖驟變，人們開始意識到高階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，一屋子的中層以上幹部，年夫順有點吃驚，聽到後來才明白，一個儀器的核心部件，國外突然“斷供”，所裡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，每個星期彙報進展。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，仍保留著一週工作六天半的傳統。那時，在一層樓大的開間裡，做實驗、辦公、設計都在一起，每天晚上加班到11點。
接到製造微波向量網路分析儀的任務時，年夫順只有5年時間。“一切從零開始。”他沒見過這種儀器，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。那時專利的摘要儲存在縮微膠片上，他得藉助機器一行行地看，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。“心裡沒底，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盪器，做了兩年沒做出來，人走進死衚衕。“科研就是這樣，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複練習失敗。他只有本科學歷，沉默寡言，是儀器公司裡最本分的那種職員，連科學家都算不上。他的工作是將幾百種不同輔助介質塗在質譜儀上，測試哪一種訊號高，並將這個過程重複幾千遍幾萬遍。
他最終能得諾獎還是因為一次失誤，把人們用來塗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麼樣子。
“如果不是這麼反覆辛苦地去做，連犯錯的機會都沒有。”一位研製質譜儀的專家說。
年夫順的一位同事曾陷在取樣器的迷宮裡，設計出來的東西怎麼都不能正常工作。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，“我想起是什麼問題了，這次肯定對了，咱倆到實驗室試一下。”他聽出同事的興奮，已經等不及下午上班再驗證。爬起一做實驗，果然成了。窗戶紙捅破後，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，沒什麼娛樂活動，地方戲算是最熱鬧的一個。如今，他在電腦裡存了很多，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麼，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，再看已是癌症晚期，“早幾個月發現，也許還能做手術。”
1995年12月，國產的微波向量網路分析儀問世，中國成為繼美國後，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鑑定會。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：“小年你怎麼搞的，這麼貴的儀器，你手上有汗，怎麼能用手摸呢？”
鑑定會上午開完，效果很好，但吃完中飯後，很多專家不走，把儀器圍了起來。“他們非要開啟機器看，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。”國外產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。”
開完鑑定會後，41所生產了十幾臺儀器準備賣給客戶。就在這個當口，儀器卻突然藍色畫面了，曲線消失，像手機宕機。
一切重新歸零，年夫順跟團隊紮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，藍色畫面突然恢復正常，電腦一開，藍色畫面又出現了。
“最後發現就是計算機干擾，電磁相容問題，干擾了影片顯示的卡，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，有那麼多機遇，有那麼多問題等待解決。
年夫順1979年上大學時，家裡還沒有電，點煤油燈照明。收音機是農民家裡的大件，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元的助學金裡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。
“人生不是想幹什麼就幹什麼，是需要你幹什麼就幹什麼，我這輩子都是被需要的。”直到現在，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，顧客和展商的交流裡，常會出現“進口的，還是國產”的疑問。儘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，內裡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 。研製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。”國產儀器質量與進口產品比，普遍在效能、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。“儀器做出來了，長得也像，可是體質不好。”年夫順說。
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，李賞參與研製的磁懸浮分子泵仍與抽真空相關。
它是真空獲得裝置，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，低於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闆加工，圖紙也來不及畫，只拿手勾，被叫醒的工人再照著去做。“一改方案，馬上要知道結果。”有時設計出問題，有時工藝出問題，有時製造出問題，失敗總是多於成功。
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，造出了全世界解析度最好、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。“這裡面投入的不光是技術，還有感情。”別人看來那只是一堆冷冰冰的鐵疙瘩，但在研發人員眼裡就像自己的孩子。有的企業的研發人員乾脆入駐工廠，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。“沒有市場需求對企業來講是最核心的問題。”他回顧過去，做技術時，物理原理放在那裡，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於談論一個數字。整個“十三五”規劃期間，5年裡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，韓立對於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，能夠對於原子結構進行成像”。
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。“公司維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。”國際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，週期5年、10年，等來的很可能是已經過氣的東西。做真空裝置的李賞說，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，分子泵國產化後，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。“十三五”期間，科學儀器專項共安排專案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。”降低頻率，意味著儀器的核心效能減弱，“抽真空沒有人家快，只能降價跟國外競爭。”通常，他們的定價是國外產品的70-80%。
“有的客戶不願意為省幾萬元而冒險使用國產的，如果生產線上一爐子晶片廢了，損失遠超省下的錢。”李賞說。
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，整個專案可能都會失敗。
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類名詞進行檢索後，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並非易事，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。”旁人得小心翼翼聽指令操作，以防“砰”一聲把儀器燒了。
理想的組合是，企業擅長批次生產和銷售，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。
高階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於我國房地產行業的第56位，低於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效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。”他的公司處於初創階段，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。”也有一些企業採取田忌賽馬的策略，試圖在細分賽道上獲得比肩國外的競爭力。
非國產不可嗎
韓立在電鏡聯盟群裡參與過一場討論，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？
一臺儀器背後，牽著無數線頭。
“儀器的背後是學科，有一些型別儀器發展不起來，讓人真正擔心的是相應學科的弱化。”韓立說。如質譜、電鏡和X射線儀器背後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誇張的工藝學例子，假如我們要做一支圓柱形的金屬桿，設計要求直徑為5釐米。但裝置加工有公差，得到的金屬桿直徑可能有5釐米、5.1釐米或4.9釐米。做100個這樣的杆，國外裝置製造的有90個滿足要求，同時能準確挑出來；但國內製造的可能只有70個滿足，而且不知道哪些杆是合格的。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，工人擰鬆了，擰緊了，距離近一點，或是遠一點，在科學儀器製造領域，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。這是經過反覆實驗決定的結構，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，支撐瑞士鐘錶和其它精密製造行業。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。“科學儀器生產出來時，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、兩彈一星功勳獎章獲得者周光召說，依靠高價買來的現成儀器裝置，跟在別人想法後面亦步亦趨，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藉助感官瞭解世界的時期，現在需要藉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、質子開啟，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，共享資料，從不同側面去探索，共同推動對未知世界的認識。”韓立說。
中青報·中青網記者 楊傑 來源：中國青年報