中國(guó)制造:儀器設(shè)備化道路上的三大障礙
一個(gè)好的實(shí)驗(yàn)室和研究部門(mén)離不開(kāi)好的設(shè)備和儀器，而一臺(tái)成功儀器設(shè)備的研發(fā)背后卻是實(shí)現(xiàn)這臺(tái)設(shè)備的物理原理、數(shù)學(xué)和自動(dòng)控制方法等最有力的體現(xiàn)和運(yùn)用。國(guó)內(nèi)目前自主開(kāi)發(fā)的儀器設(shè)備太少了，有分量的就更少了。我們只是一味地在買設(shè)備，長(zhǎng)此以往，后果不堪設(shè)想。每每在實(shí)驗(yàn)室里，看到這個(gè)國(guó)家的設(shè)備，那個(gè)國(guó)家的設(shè)備，唯獨(dú)鮮見(jiàn)我們自己的設(shè)備，中國(guó)制造怎么就這么難！僅從科學(xué)研究和應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，是什么阻礙了我們的科學(xué)儀器設(shè)備的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，試圖從三個(gè)方面來(lái)闡述這個(gè)問(wèn)題，主要包括物理原理、數(shù)學(xué)和集成電路等。

從物理原理的掌握和運(yùn)用上來(lái)說(shuō)，這是限制我們深入發(fā)展和創(chuàng)新的第一個(gè)原因。舉個(gè)例子。1986年，物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)授予了掃描隧道顯微鏡STM(scanning tunneling microscopy)研究的幾位工作者, 其中之一是瑞士魯西利康（Ruschlikon）IBM的德國(guó)物理學(xué)家格爾德.賓寧(Gerd Binnig)和瑞士物理學(xué)家羅雷爾(Heinrich Rohrer)，表彰他們?cè)O(shè)計(jì)出了掃描隧道顯微鏡。STM的基本原理就是利用量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)，在金屬針尖和樣品表面形成隧道電流，從而實(shí)現(xiàn)了原子的表面成像。但是限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，樣品只能是導(dǎo)電的，還不能在非金屬表面上進(jìn)行成像。然而，隨后的發(fā)展卻更讓我們吃驚，一些科學(xué)家又相繼開(kāi)發(fā)出能夠在絕緣襯底上的原子力顯微鏡AFM(atomic force microscopy)，它是以硅或氮化硅為針尖與樣品表面直接接觸(contact mode)，施加到樣品上的力小到只有幾個(gè)納牛(nN),甚至更小。這樣，一下子就將測(cè)試的樣品類型擴(kuò)展到了幾乎所有的被研究的材料表面。隨后，人們又開(kāi)發(fā)了多種多樣功能類型的表面成像設(shè)備。從此，在微米、納米尺度甚至原子水平上表面特性的研究進(jìn)入到一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。由此看來(lái)，物理原理的掌握和運(yùn)用實(shí)在是一個(gè)重要因素。

對(duì)數(shù)學(xué)的理解和運(yùn)用是第二個(gè)主要因素。現(xiàn)代的工業(yè)絕大部分技術(shù)的實(shí)施都是以計(jì)算機(jī)控制為基礎(chǔ)，因此，需要對(duì)諸如電壓等物理模擬量需要進(jìn)行數(shù)字化，然后計(jì)算機(jī)才能夠進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)采集，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，光滑處理，包括濾波分析、時(shí)域分析和頻譜分析等，最后輸出圖像等一些列過(guò)程。其中，要用到很多數(shù)學(xué)運(yùn)算，傅里葉變換(FFT)、拉氏變換(Lplpace)、卷積(convulution)、相關(guān)(correlation)和互譜(cross spectrum)等。從這些分析途徑中可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率的提取、圖像的光滑處理、和未來(lái)事物發(fā)展的預(yù)測(cè)等。我們每每能夠看到一些設(shè)備的軟件做的不僅界面漂亮，而其數(shù)學(xué)處理真是很專業(yè)、深入又實(shí)用。現(xiàn)在，我們也看到國(guó)內(nèi)某些研發(fā)部門(mén)也都做出了不少自己有特色的軟件，但能否持續(xù)開(kāi)發(fā)升級(jí)堅(jiān)持下去，仍是一個(gè)問(wèn)題。因此，只有當(dāng)從數(shù)學(xué)原理上有了深刻的認(rèn)識(shí)，并應(yīng)用到設(shè)備上，這才能發(fā)揮數(shù)學(xué)真正的作用。

第三個(gè)便是集成電路的研發(fā)與應(yīng)用。固體電子學(xué)最大的成功是半導(dǎo)體上的集成電路的成功研制，集成電路上最大的成功應(yīng)用是在計(jì)算機(jī)上的發(fā)展，而計(jì)算機(jī)的發(fā)展卻是帶動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代發(fā)展的主要工具，并極大促進(jìn)整個(gè)工業(yè)界在自動(dòng)控制技術(shù)等領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，集成電路的發(fā)展真正代表了一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展的源動(dòng)力。集成電路在摩爾定律的驅(qū)動(dòng)下，已經(jīng)大踏步向前，據(jù)說(shuō)IBM等大公司已經(jīng)開(kāi)始向9nm的技術(shù)邁進(jìn)。如果我們不能突破這一瓶頸，我們將會(huì)被越拉越遠(yuǎn)。

這三個(gè)方面的問(wèn)題無(wú)疑是制約我們科技發(fā)展和進(jìn)步的主要因素，其中既涉及到軟的環(huán)境又涉及到硬的環(huán)境。我們可能既不缺乏懂得物理原理的人、也不乏善于數(shù)學(xué)的人，也不乏努力的技術(shù)人才，但是，如果沒(méi)有一個(gè)很好的整合，未來(lái)真的將被越拉越遠(yuǎn)。只有開(kāi)發(fā)出自己的設(shè)備，才能做出真正的屬于自己的科研，才能真正實(shí)現(xiàn)中國(guó)制造。