許凱亮 苗順東

阿基米德曾說：“給我一個(gè)支點(diǎn)，我就能撬起整個(gè)地球！”這句話說的便是杠桿原理，正如牛頓的萬有引力定律、愛因斯坦的相對論一樣。其實(shí)能撬動(dòng)整個(gè)地球的“支點(diǎn)”之力除了萬有引力定律、相對論等一類改變?nèi)祟悓ψ匀灰?guī)律認(rèn)知的理論外，還有一類來自工具、裝置、工藝等創(chuàng)新技術(shù)和方法的進(jìn)步，典型的如輪子、造紙術(shù)、指南針、火藥、顯微鏡和內(nèi)燃機(jī)等。這些工具和工藝上的進(jìn)步與科學(xué)理論的建樹一樣，深刻地改變了世界，推動(dòng)了人類文明的進(jìn)程。

科學(xué)儀器和實(shí)驗(yàn)裝置與理論研究同樣重要

近年來，可能更多人關(guān)注到了科研論文的質(zhì)量和數(shù)量對一個(gè)國家的科技發(fā)展影響巨大，根據(jù)《2023中國科技論文統(tǒng)計(jì)報(bào)告》，2022年我國發(fā)表在各學(xué)科最具影響力期刊上的論文數(shù)量達(dá)到16 349篇，占世界總量的30.3%，首次超過了美國，位居世界第一。這一數(shù)字無疑振奮人心，但值得一提的是，很多高影響力文章背后的科學(xué)儀器和實(shí)驗(yàn)裝置仍大量依賴進(jìn)口。當(dāng)前，在與科學(xué)理論建樹同樣重要的工具、工藝和裝備方面的發(fā)展現(xiàn)狀，恐怕還遠(yuǎn)沒有達(dá)到可與我們國力相稱的水平。筆者鑒于這些年在醫(yī)療器械研發(fā)方面的切身體會(huì)，深切感到如果在科學(xué)儀器研制方面我們沒有強(qiáng)烈的憂患意識，會(huì)極大阻礙我國成為世界科學(xué)中心和創(chuàng)新高地的發(fā)展。

人類科學(xué)進(jìn)步和文明發(fā)展不僅僅要靠理論研究，更依賴于科學(xué)儀器和工具的進(jìn)步。伽利略發(fā)明望遠(yuǎn)鏡推動(dòng)了天文學(xué)的發(fā)展，列文虎克發(fā)明顯微鏡為生物學(xué)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，魯斯卡（1986年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）發(fā)明電子顯微鏡為人類獲得新型材料以及促進(jìn)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展創(chuàng)造了條件，弗蘭克（2017年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，被稱為“低溫電子顯微鏡之父”）發(fā)明的冷凍電鏡成為生物分子和生命科學(xué)領(lǐng)域研究的重要工具。理論研究從“書架”走向“貨架”，是一輪學(xué)科交叉、技術(shù)轉(zhuǎn)化和驗(yàn)證的過程，技術(shù)轉(zhuǎn)化再從“貨架”返回“書架”，構(gòu)成了一輪理論升華和科學(xué)進(jìn)步的過程。正是這一輪又一輪的“書架”到“貨架”的循環(huán)，螺旋上升式地推動(dòng)了科學(xué)進(jìn)步和文明發(fā)展。

不進(jìn)口“洋炮式”大儀器，很難完成國際一流科研

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。歐、美、日等發(fā)達(dá)國家的科學(xué)儀器與高水平裝備經(jīng)歷了幾個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，對核心技術(shù)、關(guān)鍵部件和新材料等產(chǎn)業(yè)上游形成了某種壟斷，同時(shí)也壟斷了“諾獎(jiǎng)級”學(xué)術(shù)舞臺(tái)的話語權(quán)以及前沿的醫(yī)療和生命科學(xué)儀器市場鏈條。正如科學(xué)儀器巨頭、賽默飛的首席執(zhí)行官卡斯珀（Casper）所說：“以我在行業(yè)25年的經(jīng)驗(yàn)來看，當(dāng)環(huán)境面臨挑戰(zhàn)時(shí)，常規(guī)儀器常會(huì)讓人感到有壓力。而無論環(huán)境如何，客戶都會(huì)為高端產(chǎn)品找到資金?！币虼耍?024年，賽默飛將聚焦電子顯微鏡等高端產(chǎn)品。由此可見，作為“杠桿”的高端科學(xué)儀器和醫(yī)療裝備才是國際巨頭撬動(dòng)市場天平的殺手锏！目前，在實(shí)驗(yàn)條件方面，很多國內(nèi)頂尖的高校院所已經(jīng)達(dá)到或超過了國際一流水平。近年國內(nèi)大量的高水平論文成果已然證明，使用與國際實(shí)驗(yàn)室一樣的設(shè)備條件加上充沛的經(jīng)費(fèi)支持，中國科學(xué)家雖然起步晚但加速度大，很快走上了國際學(xué)術(shù)舞臺(tái)的前沿?！蹲匀弧贰犊茖W(xué)》《細(xì)胞》等頂尖研究成果不斷涌現(xiàn)，極大地增加了國人的文化自信。然而，當(dāng)前面臨的另一挑戰(zhàn)是，我們國家每年花費(fèi)大量的外匯采購進(jìn)口科學(xué)儀器，甚至很多時(shí)候是依靠“單一來源”采購。也就是說，在我們邁向高水平科技自立自強(qiáng)之路上，面對西方的先進(jìn)技術(shù)壟斷是我們無法回避的“鴻溝”。在很多領(lǐng)域和學(xué)科中，確實(shí)面臨不進(jìn)口“洋炮式”大儀器就很難完成國際一流科研工作的情況。

改革開放后相當(dāng)長一段時(shí)間中，受限于當(dāng)時(shí)的國內(nèi)形勢和條件，我們很大程度上采取了“造不如買”的策略。近年來，國家層面已充分認(rèn)識到了科學(xué)儀器對于前沿研究的重要作用，每年用于科研儀器研制的項(xiàng)目投入也高達(dá)數(shù)十億元。但是，當(dāng)下儀器的加大投入和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化機(jī)制亟待完善也是業(yè)內(nèi)的共識，很多科學(xué)儀器通過了第三方檢測報(bào)告，但失之于有效的產(chǎn)業(yè)鏈條支撐，難以推進(jìn)市場化的后續(xù)進(jìn)程。筆者曾多次聽一線專家坦言，咱們這么多儀器項(xiàng)目所產(chǎn)生的科學(xué)儀器具體有多少真正能用，這仍需考察。

從超聲發(fā)展史看理論研究和技術(shù)轉(zhuǎn)化的相互效應(yīng)

理論研究和技術(shù)轉(zhuǎn)化是密不可分的，甚至是循環(huán)螺旋增強(qiáng)式的發(fā)展關(guān)系。以筆者曾工作過的法國巴黎高等物理化工學(xué)院（ESPCI）為例，其深厚的基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)成果轉(zhuǎn)化能力，使其長期引領(lǐng)著聲學(xué)原理與醫(yī)學(xué)超聲成像的新發(fā)展方向。為了說明問題，筆者在此就超聲研究發(fā)展史做一簡單回顧。

1881年，居里兄弟——皮埃爾 · 居里和雅克 · 居里——發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)，研制了居里驗(yàn)電器，相關(guān)研究成為現(xiàn)代超聲技術(shù)發(fā)展的基石。1916年，法國物理學(xué)家保羅 · 朗之萬（Paul Langevin，皮埃爾 的學(xué)生）在ESPCI研制了最早的超聲探頭。朗之萬和俄國電氣工程師康斯坦丁 · 奇洛夫斯基（Constantin Chilowski）合作發(fā)明了第一部主動(dòng)式聲吶設(shè)備，并于1920年獲得了超聲水下檢測的專利授權(quán)。這一工作得到了朗之萬好友愛因斯坦的大力推薦，一經(jīng)發(fā)表即在西方學(xué)術(shù)界與工業(yè)界產(chǎn)生巨大反響，這是超聲探測開啟電子化的里程碑。近幾年興起的功能超聲前沿技術(shù)依然發(fā)源于ESPCI，它是一種新型“高時(shí)空分辨率”腦功能成像技術(shù)，該技術(shù)突破性地在清醒活動(dòng)的動(dòng)物上實(shí)現(xiàn)了大腦區(qū)神經(jīng)活動(dòng)觀察。其原理是基于新型的非聚焦的平面波/發(fā)散波超聲技術(shù)?；诜蔷劢孤暿上竦睦碚撛?0世紀(jì)90年代就已經(jīng)提出，但受限于當(dāng)時(shí)的計(jì)算能力和超聲數(shù)據(jù)采集硬件，一直無法從工程上達(dá)到理論設(shè)計(jì)的水平。以馬蒂亞斯 · 芬克（Mathias Fink）為代表的ESPCI頂尖聲學(xué)專家堅(jiān)定地在理論研究的同時(shí)推進(jìn)工程化，堅(jiān)持用一流超聲設(shè)備硬件研發(fā)，完成前沿理論落地。

過去的30年間，ESPCI科學(xué)家持續(xù)引領(lǐng)著世界超聲醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展。2011年，ESPCI的邁克爾 · 坦特（Mickeal Tanter）教授團(tuán)隊(duì)率先在《自然-方法》（Nature Methods）上報(bào)道了基于萬幀級超快超聲的小血流成像，并從實(shí)驗(yàn)上證明1000 Hz幀率的超快超聲可以實(shí)現(xiàn)小血流成像和基于腦血流動(dòng)力學(xué)的腦功能成像。2015年，ESPCI的坦特教授和奧利維爾 · 庫蒂爾（Olivier Couture）教授合作在《自然》（Nature）正刊上報(bào)道了突破聲學(xué)成像衍射極限的超聲定位顯微成像技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)10 μm分辨率深層微血管成像，達(dá)到了波長的1/10。近十年來，相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展，吸引了全世界腦科學(xué)專家的目光，其獨(dú)特的高時(shí)空分辨率優(yōu)勢使之快速成為腦功能成像的有力工具。2016年以來，坦特教授團(tuán)隊(duì)迅速將技術(shù)轉(zhuǎn)化，并成立了易科優(yōu)思（ICONEUS）公司。僅僅5年時(shí)間就下線了相關(guān)產(chǎn)品，目前公司中只有30余名神經(jīng)科學(xué)家、工程師和物理學(xué)家。公開資料顯示，2023—2024年間，國內(nèi)市場以“單一來源”采購了數(shù)套ICONEUS腦功能超聲成像系統(tǒng)，總金額高達(dá)5000萬元。

上海波達(dá)希望為走通高水平科學(xué)儀器自主研發(fā)之路交出答卷

2023年底，依托復(fù)旦大學(xué)的技術(shù)轉(zhuǎn)化平臺(tái)，上海波達(dá)醫(yī)療科技有限公司推出了國內(nèi)首款腦功能超聲成像儀器，成像幀率比傳統(tǒng)超聲提升近百倍，可大于萬幀每秒，時(shí)間分辨率達(dá)到10 ms；微血管成像分辨率比傳統(tǒng)超聲提升10多倍，可達(dá)到5 μm左右，相關(guān)技術(shù)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。2023年，由復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系牽頭，我們獲批了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“診療裝備與生物醫(yī)用材料”重點(diǎn)專項(xiàng)“經(jīng)顱超快超分辨腦微血管與腦功能超聲成像技術(shù)研究及樣機(jī)研制”，項(xiàng)目組匯聚了武漢聯(lián)影醫(yī)療、香港理工、華山醫(yī)院、北醫(yī)三院、軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院、深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、之江實(shí)驗(yàn)室、廣東智能科學(xué)與技術(shù)研究院、復(fù)旦義烏研究院等10家單位進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)。希望能引領(lǐng)腦超聲影像技術(shù)新發(fā)展，帶動(dòng)我國生物醫(yī)學(xué)工程、醫(yī)學(xué)超聲、物理聲學(xué)以及腦科學(xué)等多學(xué)科融合創(chuàng)新。

正如復(fù)旦大學(xué)金力校長所說：“對于復(fù)旦而言，10年前我們就思考過，學(xué)校的發(fā)展目標(biāo)應(yīng)該是創(chuàng)新型大學(xué)，而不僅僅是研究型大學(xué)。創(chuàng)新型大學(xué)必須成為基礎(chǔ)研究的全球高地、原始創(chuàng)新的重要策源地，同時(shí)具有推動(dòng)不斷創(chuàng)新的能力?！被A(chǔ)研究和理論創(chuàng)新是技術(shù)轉(zhuǎn)化的重要策源地，也是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展的根本動(dòng)力。另一方面，推動(dòng)持續(xù)創(chuàng)新，就必須推動(dòng)學(xué)科的交叉融合和技術(shù)轉(zhuǎn)化。復(fù)旦大學(xué)在學(xué)科交叉融合和技術(shù)轉(zhuǎn)化方向走在國內(nèi)前列，金力校長表示：“我們已經(jīng)初步走出自己的融合創(chuàng)新之路，讓交叉融合成為發(fā)展潮流和活力源泉?！?/p>

如果說阿基米德所說的“撬起地球”的思想代表了理論研究成果的突破，那么今天我們“撬動(dòng)地球”所用的“杠桿”就是高端科學(xué)儀器，有了理論和實(shí)踐的緊密結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)從“書架”到“貨架”的上升循環(huán)，更快更好地建設(shè)世界科學(xué)中心和創(chuàng)新高地。為促進(jìn)新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展，既要加強(qiáng)原創(chuàng)探索開拓“撬起地球”的理論方向，也要促進(jìn)創(chuàng)新轉(zhuǎn)化加強(qiáng)“撬動(dòng)地球”的杠桿支撐。