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国产仪器被什么“卡”住了脖子?

说起国产仪器,过去我们常听到的描述是悲情,产品趋于同质化,低价竞争常态化,想要叩开高端实验室的大门,却被人戴以有色眼镜看待,外企喝汤吃肉,国产厂商却还在找米下锅。但经过近些年的发展,尤其在贸易战与新冠疫情的双重洗礼下,在利好政策和资本市场的助力之下,国产仪器的受关注程度和发展速度早已今非昔比。加强高端仪器研发制造写入“十四五”规划,各地采购新政支持国产仪器,用户对国产仪器的接纳度和认可度越来越高,国产仪器企业正由内而外焕发新的活力。

国产仪器欣欣向荣,是否到了发展的最佳时刻?仪器信息网近期策划了“国产仪器发展正当时”活动,邀请到27位国产仪器企业家,就国产仪器面临的“卡脖子”问题、破解“卡脖子”的经验与方法、国产发展路径等话题分享了心得。从这个活动中,我们看到了国产仪器面临的困境,也看到了国产仪器可能的出路。

“国产仪器发展正当时”总结篇(上),首先剖析:国产仪器被什么“卡”住了脖子?

国产仪器被什么“卡”住了脖子?(图1)

国产仪器正当时.jpg

色谱

硬件:高端色谱如UHPLC、Nano-LC、SFC、GPC、AAA、Pre-LC、Chip-LC/GC。

HPLC各个单元如输液泵、自动进样器、检测器以及软件等关键技术与国际品牌有一定的差距。HPLC高压泵单元中的高压密封圈、高精度和高稳定性压力传感器、高精度滚珠丝杠;自动进样器单元中的超高压六通阀、采样针、超细毛细管;检测器单元中的平面场光栅、二极管阵列光电传感器、光纤流通池等,这些核心部件的技术是国内企业仍需努力攻克的难关。

薄层色谱仪的关键零部件对进口产品还是有一定的依赖性,具体来说:芯片(尤其是数模转换芯片)、检测器用光电倍增管、高稳定光源、光栅、操作系统等基本依赖进口;还有一部分的材料、运动部件、电机、传感器等较依赖进口。

软件:色谱符合美国FDA CFR Part11软件以及质谱分析软件谱库等。符合法规、功能齐全,并且能网络化部署的色谱软件,国内基本为空白。

色谱柱:目前全球液相色谱柱每年约有300-400万根的需求量,合15-20亿美元的销售额。中国色谱柱市场需求占全球市场10%左右,国产色谱柱在全球市场占有率仅2%,在国内市场占有率也只有20%。目前国产色谱柱所用的填料或者生产填料的微球原料、硅烷化试剂以及空柱管大多数依赖进口,与色谱柱相关的柱管和筛板,特别是适合小粒径装填的大多也都是进口的。此外,液相色谱柱研发和生产所必需的高效液相色谱仪绝大部份依赖进口,这些挑战使产业链不能成为闭环,严重地影响到色谱柱高端国产化的进程。

质谱

质谱如Orbitrap、FT-ICR、IT-TOF、TOFTOF、Magnetic MS等在国内基本是空白的。

电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS几乎百分之百来自于进口品牌,半导体行业中所用ICP-MS全面依赖进口依然是个不争的事实。

光谱

拉曼:对于小型拉曼光谱仪、光纤光谱仪而言,光栅、CMOS高性能检测器、高性能滤光片目前还是依赖于进口。芯片就更不用说,激光管内部发光芯片、ARM芯片、FPGA芯片、高性能AD芯片等都还是依赖进口

傅里叶红外光谱:高分辨、宽光谱傅里叶红外光谱仪以及真空型傅里叶红外目前还是我们的短板。从核心部件讲,可能被“卡脖子”的主要有芯片、部分红外检测器和宽谱光学晶体。

力学性能试验设备

新材料测试需要的设备:1、复合材料力学性能表征测试系统。2、在生物医药领域,从骨科、齿科到心脏支架、瓣膜,国产设备都很难满足相关试验标准的要求。3、有些特殊的新材料,需要在高温、高压、真空或者腐蚀环境里面测试材料的力学性能,这类专业设备也是进口设备为主。

动态试验机:1、应变疲劳系统。国内大部分的疲劳试验设备目前只能做普通的应力疲劳试验。2、多轴疲劳系统。这类高端试验机的主要生产厂家几乎都是欧美的厂家并且是对我国禁售的主要产品。

扫描电镜

为什么国产扫描电镜所占市场份额极少,难以突破技术壁垒?上海市显微学学会副理事长曾毅提出过3点原因:高质量电子光学系统生产困难、透镜内探测器规划难度较大、低电压分辨率需求难打破。

激光粒度仪

要说卡脖子,电子元器件真是国产科学仪器“脆弱的要害部位”。激光粒度仪要用到的激光二极管,一些模拟集成电路,单片机等,都需要进口。

生命科学仪器

PCR:以PCR仪为例,目前基因扩增仪内所用到的部分零配件如MCU微控制器、AD转换器等芯片、半导体制冷片等部件都大多采用进口器件,目前还没完全做到国产替代。

产品设计过程中所用到的工业设计软件,例如MCU微控制器软件设计平台KEIL、PCB板设计软件Altium Design、结构设计三维软件Solidworks、平面设计软件Photo Shop/Illustrator /CorelDRAW都是国外公司开发的,没有更优的国产软件可以替代。

数字PCR:到目前为止,全球超过90%以上的数字PCR市场份额都掌握在1-2个进口品牌手里。从技术方面看,光学和生物芯片的设计加工,是前几年国内存在“卡脖子”的关键技术。这个技术的发展一直面临着两个巨大的障碍,一个是“贵”,一个是“复杂”。“贵”是设备和耗材价格高,进口品牌设备动辄100多万,做一个测试的耗材需要大几十元到几百元不等。”复杂“是指,操作过程复杂,微滴制备,多次反复移液,让操作人员苦不堪言。

实验室常用设备

行业普遍反映的比如像二氧化碳浓度传感器、湿度传感器、pH传感器、安全防护设备中的内置风机,细胞培养设备中的电磁阀、泵等等,类似的这些国产部件都不同程度存在着或检测精度不足、线性范围窄,或工作稳定性差、使用寿命短,或气密性弱、运行噪声大等问题。如要保证生物仪器的产品质量就需要花费几倍乃至几十倍的成本去购买进口的部件。

即便这些问题通过技术进步都解决了,但仍难以解决国外技术快速更新而出现的新的“卡脖子”问题。买了设备用不起耗材,在软件先进技术的开发应用和关键工艺水平的提升普及方面,国内产品与国际水平差距非常大,国产生物仪器产品在国际市场上因此处于低端、或中低端水平,产品缺乏竞争力,出口销售也就被卡住了“脖子”。

洗瓶机:目前被“卡脖子”的主要有芯片、存储器、设计软件和控制系统软件、高精度和高稳定性压力传感器、温度传感器、制药级阀门、低扬程大流量循环泵,目前还没有办法实现国产替代。

核心零部件

核心部件国内被卡脖子情况比较严重,如分子光谱高分辨光栅、高性能电子倍增器、质谱的涡轮分子泵、高精密质量分析器、超速离心机转子以及各种仪器特殊精密的传感器等还是严重依赖进口。

被“卡脖子”还有芯片、传感器、高精度的泵类、各种阀体、磁控管、变频板、柱塞杆、单向阀、密封圈、步进电机、光源、光栅、PMT、脱气机等等。

仪器上常用的芯片、高精度传感器等,而在质谱四极杆、离子源这类需要精密加工的部件上,其材料选用和精加工工艺水平与国外相比仍有差距。

国产仪器卡脖子_副本.jpg

国产仪器的“另类”卡脖子问题还有…

冰冻三尺,非一日之寒。国产仪器面临的困境不仅在于产品、技术及关键核心部件,还有来自以下方面的挑战。

高端人才匮乏

国产仪器发展历史基本在20-30年,企业小而众,技术需要多年积累和沉淀,故大多数企业介于生存和发展之间,难以在研发上做大规模投入,而科学仪器研发又具有其超越一般工业产品的复杂性,更难以吸引高端研发人才。

就人才对仪器制造行业发展的影响而言,尽管分析仪器制造行业民营中小企业较为集中,但其需要的人才却具有多样性的较高要求。其中涉及到的学科门类像信息科学、电子学、精密机械学、光电子学、材料学等等。这些有利于支撑仪器制造产业发展的技术人才,对于仪器制造企业而言却是一才难求,这是一个更为严峻的“卡脖子”问题。

国产仪器开发的常规做法是逆向工程,购买国外的样机,进行分析,破解原理,再进行设计,这种模式设计出来的产品性能和稳定性上与样机会存在一定差距,如果没有高端人才,部分关键点没有掌握透彻,设计出来的产品可能会存在一定的缺陷。这样很难产生具有原创性的产品和技术,只能处在人有我有的同质化竞争之中。

此外,数百万目前从事实验技术岗位工作,需要评定实验系列职称的这些人员,从来都没有接受过对口的学历教育。目前我国高校在仪器研发制造方面尚有“精密仪器”等一些专业对口,但在仪器的使用和功能开发上,却没有相应的“实验技术”专业人才支撑,这也是仪器发展的主要短板之一。

市场缺乏信任

国产仪器发展还面临用户长期对国产仪器排斥(信任度低)的问题,即使性能相当,用户大多青睐购买进口产品,对国产仪器存在严重的偏见、陈见也是国产仪器发展“卡脖子”的重要方面之一。

国内的仪器厂商,因为很难与最终用户建立品质信任,很难与代理建立合作信任,因此无法完成需求挖掘、价值创造和利益兑现,导致出现了欧美定制标准、欧美IP、中国只是世界工厂的外循环格局。

科研机构购买仪器对进口品牌的非常偏好。这主要有两个原因:A. 发表文章时的实验数据一般要写测量设备品牌型号,这时写一个大品牌的仪器显得更可信可靠,写出来也觉得有面子。B. 科研经费的使用有规定限制,不允许随意用在人上,却不限制用在物上。科研仪器的购买很多时候没有成本约束,花钱的人在体制机制约束下甚至“宁买贵的,不买对的”。这个市场特征可能成为国产仪器发展的障碍。

产业基础薄弱

没有形成规模化的产业链,研发力量分散,关键技术亟待突破,关键零部件的设计和加工能力严重不足等,这些问题一直卡着国产仪器的脖子。加上科学仪器本身单价高、数量少、高投入、慢回报特性,使得仪器企业突围十分困难。

国内部分中小型加工厂的制造工艺与国外存在一定差距,导致制造出来的部分仪器在某些关键性能上与原进口仪器存在一定偏差。由于国内基础精密加工业的薄弱,导致仪器中的非标件质量很不稳定。科学仪器工业设计及软件开发长期缺乏专业的公司支持,如算法不够精准。仪器全产业链条的配套不足,导致高端产品不足。

自身能力不足

卡住我们脖子的主要还是我们自己的能力水平。因为起步较晚,技术积累有差距,别人已经读到大学,我们才读到高中。所以,我们需要时间去成长进步,需要空间去沟通交流,需要耐心去埋首做事,需要勇气和智慧去开拓创新。

流水不争先,争的是滔滔不绝。国内的企业家一般三年的冲劲,具有百年企业精神较少,国产仪器需要提高企业家精神。

大多数国产仪器企业并没有完成企业的原始积累。这个积累不是企业老板买了几套房,个人是否财务自由,而是公司的技术积累和管理积累。自己对自己的卡脖子是只顾眼前,全身瘫痪,无法找粮找水,最后心有余而力不足。

外企先发优势

国产仪器企业在市场、应用支持以及售后服务等方面的投入与国际公司相比还有相当大的差距。国外厂商利用自己先发优势,对国产厂商“断粮断水”。在进口仪器利用技术和市场优势,设立了不平等竞争机制。

例如,受合规化政策要求和客户需求影响,近些年网络版色谱软件在中大型制药、化工企业增长很快。具备网络版软件的各进口品牌之间呈现出相互开放、相互融合的趋势,而将众多国产色谱厂家拒之门外。要打破这一格局,对国产仪器发展而言无疑又是一项挑战。

国外企业由于用户覆盖广泛,技术实力雄厚,已经在已有的基础上积累了充足的经验,因此能够更早的介入国标方法的制订以及行业共性问题的研究,比起国内厂商忽视这一方面的投入,国外厂商在解决问题这一方面就具有了先天更大的优势。

缺少财政支持

碍于财政资金投入跟不上产业发展速度,最近几年就出现了“撒胡椒粉式”的皆大欢喜。微不足道的资金支持却有不小的进入门槛,要洋洋洒洒一大篇可行性报告,各类证书、检测报告、技术分析、市场分析、财务分析、乃至社会效益分析等等一样都不能缺。企业都是讲究时间成本的,权衡之下不少生物仪器制造企业逐渐淡化了得到财政支持的欲望。但在另一面却看到这几年的财政资金几乎都投向了似乎是内定方向但数量寥寥的大企业和大项目。大量的仪器制造中小企业缺少财政支持所带来的,一是企业家对产业发展信心的缺失;二是对技术创新积极性的弱化;三是仪器制造行业技术进步的维艰。

国产仪器需要巨量的资金把工匠精神发挥出来,需要给工匠们解决住房和生活问题,只有解决了这些问题,才能让他们专心地工作,才不会想法子去挣快钱。


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