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深度解析测量仪器科技创新该如何破题

http://www.edu.hc360.com2013年08月02日09:05 来源:科技日报T|T

    主持人:李禾

    嘉宾:徐可欣(天津大学教授、教育部科技委委员、国际光学工程学会会士)

    陈宝泉(中国科技新闻学会理事、编审)

    精密仪器的重要性不言而喻。“蛟龙”深潜,“神十”探空,人类以仪器为工具,通过测量认识世界。当代社会发展,产业升级、减灾防灾、环境监测、医疗保健、能源供给、国防安全等无不对测量技术和仪器设备提出更多需求、更高要求。

    专家介绍,目前我国测量技术和精密仪器设备的研究、制造与国际先进水平存在明显差距。单纯依靠进口设备、进口技术,不能提高我国精密仪器的水平。如何将进口的设备技术转化为自己的?如何推进测量科技自主创新进入世界前沿水平?

    测量和精仪意味着科技发展优先权

    主持人:为什么要重视测量技术和精密仪器的研究、创新?

    徐可欣:先进的测量科技和精密仪器是科学发现的工具、技术创新的种子,许多划时代的科技成果、获得诺贝尔科技奖的项目皆由此产生。如质谱仪的发明使我们能按原子、分子的质量差异进行分离,检测物质组成;计算机X射线断层扫描(CT)、核磁共振成像(MRI)等技术使我们可以更早发现疾病;图像传感器(CCD)已是手机、数码相机中的关键元器件,这些仪器和方法的发明者也都获得了诺贝尔奖。

    据不完全统计,一个多世纪以来,诺贝尔自然科学奖项中,有68.4%的物理学奖、74.6%的化学奖和90%的生物医学奖是借助各种先进仪器完成的。

    现实社会发展也提出了很多新的科学上必须回答和解决的问题。如工业排放是如何对气候变化、环境乃至人群健康状态产生影响的?二恶英浓度低,测量方法复杂并只能离线进行,环境科学的发展迫切需要发明痕量物质监测的新测量方法和仪器监测二恶英。而痕量物质对人们健康影响的机理、评估与监测方法等更是亟待突破的科学问题。

    陈宝泉:测量与仪器科技水平还反映国家实力。美国商务部国家标准与技术研究所上世纪90年代中期发布的数据表明,美国仪器仪表产值约占国民总产值的4%,但它拉动的相关产值却高达66%。2007年美国商务部国家标准技术研究所的战略报告指出,21世纪制造业和人们生活质量提高的关键是测量技术,此领域对维系国家竞争力也不可或缺。日本为夺回在测量分析仪器上的优势,文部省启动了尖端测量事业,投资达上百亿日元。

    总之,测量和仪器是科技基础,谁掌握了最先进的测量方法与精密仪器,谁就掌握了科技发展的优先权、人民健康的保障权、商业标准的制定权及突发事件的主动应对权。

    高端仪器设备基本依靠进口

    主持人:在测量技术和精密仪器的研究、发展方面,我国存在哪些问题?

    陈宝泉:我国科技投入大幅增加,购置的大型仪器设备已初具规模。但其中60%是进口设备,尤其是昂贵的高端仪器设备基本都依靠进口。以医疗仪器为例,2007年全球医疗仪器市场规模约2500亿美元,我国购买量约4%,我国医院所做的高端检查、治疗基本使用进口设备。2008年我国图像诊断仪器购买量达15.7亿美元,基本被美国GE公司、德国西门子公司、荷兰菲利浦公司、日本几家公司瓜分,我国自己生产的医疗仪器产品仅占2%。

    当前,我国在测量技术与精密仪器方面与世界强国差距大,由此导致的科技创新掣肘影响面广,如不尽快制定发展战略并迎头赶上,差距会继续拉大。

    测量科技和仪器发展方向、途径

    主持人:要想在测量技术与精密仪器方面迎头赶上,重点发展方向是什么?

    徐可欣:推进我国测量科技进入世界前沿,要兼顾世界测量科技发展趋势和我国阶段性需求。我认为有三个目标很重要,需布局攻取。一是原创性测量技术与仪器,二是国家目标导向或测量仪器发展趋势引领的测量技术与仪器,三是精密仪器核心技术。这三大目标中,各有一个优先展开协同创新的方向,分别是先进测量方法、微智能探测器与微纳器件制作技术。

    我国和发达国家的差距,除产业规模、技术积累不够外,更在于测量原理和仪器设计的原始创新方法上不行。要改变现状,需要在几个方向上下大工夫。如能源领域的深海、深地探测,环境领域中微量化学物质的快速检测,地球尺度环境风险的预警等;在食品安全与农产品药物残留检测方面,探索根据物质的指纹光谱等光学信息建立快速测量识别物质成分的方法,特别是痕量物质快速测量方法;在生命科学领域,活细胞或蛋白构造的实时观察,细胞内分子信息传递的视觉化,细胞与蛋白标识、检测装置的研发,如微弱荧光观察装置等;攻克复杂条件制约,突破现有测量极限,需改变原有模式、单一原理的方法局限,对不同学科进行交叉和融合,开展基于数理方法综合运用的手段创新以实现测量方法的原始创新,上述这些成果将对科技自主创新产生不可估量的影响。

    徐可欣:智能微探测器是指尺度微小、可受控独立完成对特定信息的获取与发送,且自带动力源的传感系统。这种智能探测器在很多领域作为“人眼”,应用前景广阔。这一领域可为纳米技术、微机电系统、传感器、自携能源等多方面基础研发提供战略牵引,进而产生更多可预测的成果。如惠普公司正在研发“地球中枢神经系统”:计划在全球布下1万亿个传感器,形成巨阵来监测生态、地震、能源使用状况。

    徐可欣:微纳器件制作技术是精密仪器的核心技术,涉及材料、工艺、核心算法软件等诸多科技领域,目前的方向是向微小化、多功能集成化和智能化发展。世界领先的超精密加工技术可实现小于1纳米精度和小于30纳米尺度的特征结构制作。根据我国国情,可优先考虑探索新机理。当物质尺度达到纳米量级时,在力学、热学、电学或光学等方面会产生新效应,经典理论已不再适用,必须给予修正或探索新理论。

    加工微纳器件所用的工作母机属高端精密仪器,目前基本依赖进口。我国应一方面积极攻关,另一方面在对已有设备的使用上应尽快形成自己的加工技术。

    主持人:实现上述三大目标及优先创新方向的途径是什么?

    徐可欣:在发达国家,测量与精仪行业等高技术行业已形成了上下游衔接、企业分工合作的格局。我国在该领域也可搞一些规模适当、效率高的国家攻关工程。该行业是技术密集型产业,发展离不开大学、研发院所的智力与人才支撑。大学、研发机构要强强联合,分工协作。目前我国高校发挥着研发主力军的作用,但高校“姓教”,其人员编制、固定经费仍来自教育任务。当下我国需要发展出一批技术有特色、有创新能力的中小型精仪企业。

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