发展开源硬件,促进我国科学仪器自主化|郭明昊 任声策

1.开源硬件及其在科学仪器中的发展现状

开源（Open Source）的概念出自上世纪著名黑客社区Debian的社长Bruce Perens起草的“Debian Free Software Guidelines”（DFSG），并于1998年2月3日由Chris Peterson正式提出^[1]。随着时代的发展，开源的内涵也不断地被丰富着。现在对其定义的共识为：开源是促进信息技术创新的重要途径，是将源代码、设计文档或其他创作内容开放共享的一种技术开发和发行模式。开源作为一种创新协作模式，已经不仅仅是开放源代码的软件技术开发，还包括开放科学、开源技术、开源硬件等更广泛的开放技术领域及协同创新的理念与机制。

1.1开源：从软件到硬件的发展历程

世界开源软件的发展可分为UNIX阶段、GNU阶段与Linux阶段^[1]。在开源软件发展的过程中，开源硬件也逐渐形成并发展。开源硬件是指用与自由及开源软件相同的方式设计的计算机和电子硬件^[2]，其概念正式确立于1997年，由布鲁斯·佩伦斯提出。1998年，雷纳德·朗伯茨在互联网上建立了第一个致力于协作设计开放、低成本电路的开源硬件协作项目组Open Design Circuits。然而，由于硬件的生产过程极其繁琐复杂且价格不菲，开源硬件的发展在一开始处于低迷状态。21世纪以来，开源软件的流行再一次刺激了开源硬件的发展；arduino电子原型平台、opencores开源硬件IP核心的网站、open computer project开源服务器硬件项目等的出现，也进一步促进了开源硬件的发展；与此同时，开源硬件组织也不断成熟，一些专业协会组织不断出现，如开源硬件与设计联盟、开源硬件协会等。FPGA的发展和SoC设计的出现解决了开源硬件一度面临的流片和生产成本高的问题，例如Facebook设立的开源计算机项目、基于FPGA的开源硬件开发平台项目、开源桌面3D打印机项目等。

近年来，创客运动的兴起，在极大程度上推进了开源硬件的发展。创客（Maker）是一个热衷于设计-创意-制造的主要以个人为单位的群体；他们使用3D打印、开源硬件等技术，不以盈利为目的，在开放共享精神的指引下，致力于将自己的想法转变为现实产品。开源硬件在创客运动的进行中逐渐蓬勃发展：一方面，大量的大规模开源硬件公司逐渐涌现，这些公司专门生产销售开源硬件，例如Adafruit Industries、 DFRobot等；另一方面，越来越多的开源硬件和支持开源硬件的编程语言开始涌现，例如MicroPython、Micro:bit，以及CubieBoard、kiwiboard、pcDuino、Orange Pi、Banana Pi等众多硬件平台。

1.2开源硬件在科学仪器中的发展现状

科学仪器是用于采集、处理数据、实验、测量和检查样本等科学目的的装置或工具，可分为定性仪器和定量仪器。定性仪器用于比较研究物质的物理性质、化学性质或结构，定量仪器用于测量物质的某种特定属性。科学仪器应用广泛，包括物理学、化学、地理学、天文学、生物学、材料科学等各个科学研究领域。无论何时，科学仪器都是科学研究的基础条件，也是科技创新成果的重要形式，还是国民经济发展的重要支撑^[3]。

一直以来，世界各地的研究者获得最佳科学仪器的机会有限，主要是因为用于实验研究的专有科学仪器的价格过高，这极大地抑制了各个领域的科学发展速度。此外，科学仪器的高成本也限制了高校的高规格实验室的建设，因为根本没有足够的实验室级设备以合理的价格供每个人使用。因此，现代科学仪器的高成本使许多有潜力的研究者无法参与科研努力，并减缓了所有实验室的技术进步^[4]。

近年来，开源硬件的发展逐渐地减缓了这一问题。开源硬件为硬件提供“代码”，包括物料清单、原理图、说明、计算机辅助设计(CAD)和其他重建物理工件所需的信息，并在广泛的领域中改进产品创新，可以不受限制地使用、研究、复制、修改和重新分发。如此，在促进科学仪器发展的同时也降低了经济成本^[5]。

在一些开源范例中，3D打印与开源微控制器相结合，通过此种方法已经开发了数百种开源的科学仪器。例如，在DNA纳米技术实验室中，用于生成DNA包覆颗粒的凝胶扫描仪、水平电泳凝胶模具和均质机都可以使用开源方法制造，成本比商业提供的工具低90% 。同样，生物实验室的一系列器材——显微镜、离心机、热板、磁力搅拌器、波形发生器、脑电图仪和斯金纳箱等也均可通过开源硬件来改进和节省经费^[6]。

开源微控制器还可以用于更复杂和有针对性的应用，如节省了数百美元的硼掺杂金刚石电极的电化学预处理和带力传感器的径向拉伸系统，以及节省超过25000美元的机器人辅助质谱分析平台和自动肽合成器。还有一些科研团队开发开源电子产品，为智能节能建筑提供类似大数据的物联网仪表设备，为智能城市提供传感器和计算平台^[7]。

开源电子产品也推动了开源3D打印机的发展，如复制快速原型机；它可用于制造高质量的科学仪器，大大降低了制造设计的成本。此外，3D打印机也可以用来制作一系列越来越复杂和昂贵的仪器。共享数字设计和3D打印机可以用于尝试新的实验，比如可用其开源系统制造化学反应器或聚合物激光焊接热交换器^[8]。

开源硬件与科学仪器的这种结合，对科学研究及高校教育都起到了巨大的促进作用，最终导致科学与经济的双重进步。开源仪器的投资回报率也往往极高，例如，通过一项对开源注射泵设计的资助者投资回报率的研究发现，仅仅几个月后该项目的投资回报率就高达1000%^[9]。然而，开源硬件在科学仪器中的发展常见于国外并早已发展壮大；由于起步晚、技术落后等问题，国内的科学仪器多数源自国外进口，鲜有将开源硬件用在科学仪器上的研究。

2.1我国科学仪器现状

市场规模：对科学仪器的需求，深刻反映了一个国家的科研活动发展情况，而其状况可通过科学仪器占的市场规模来体现。近年来，我国科学仪器市场整体呈现上升趋势，科学仪器的市场规模从2019年的3400亿，到2021年的6966亿，并于2022年超越了7400亿元^[10]，深刻体现了我国科学仪器市场的规模宏大、蒸蒸日上。

研发投入：自2001年起，我国就成立了国家自然科学基金委员会，以推动我国科技发展进程、支持我国科学事业发展。而国家自然科学基金委员会的基金资助着重大科研仪器研制项目，此项目包括部门推荐和自由申请两个亚类。2022年，获得国家重大科研仪器研制项目的高达81项，其中有76个自由申请与5个部门推荐，总金额共计10.53亿^[11]。相较于2021年，2022年国家重大科研仪器设备研制项目资助项目得到了全方位的提高，无论是在项目总额、项目数量亦或是单个项目金额上。

总体布局：我国科学仪器的生产和出口主要集中在长三角、珠三角以及京津冀等地区，呈现出集群化的发展特征。不同产业园着重于不同领域，其中包括山东海能科技产业园（食品安全检测仪器）、北京怀柔科仪谷（科教、医工高端仪器装备）、青岛科学仪器产业园（医疗器械、海洋检测设备）、无锡量子感知产业园（磁共振设备、扫描电子显微镜）。其中，长三角地区是我国最大的科学仪器生产和出口地区，具有最为完整的上下游产业，地区集群效应尤其显著；我国科学仪器的龙头企业——聚光科技就位于长三角地区，其经过多年在高端科学仪器领域的持续研发投入已积累了70余项技术平台，在三重四级杆、流式细胞仪等多个领域填补了国内空白。此外，上海是我国最具活力的科学仪器研发和产业区域；上海拥有国内首个工业质谱产业化基地，其研制生产的电化学领域的仪器设备在全国市场所占的比重超过60%^[10]；位于上海的上海泰坦科技股份有限公司拥有着“泰坦实验建设/泰坦仪器”的科学仪器自主品牌，其于2020年在科创板上市。

政策扶持：近年来，中央及地方政府积极推进科学仪器国产化，加速国产替代，推出了一系列政策以促进科学仪器的自主化。其中，《科技部关于发布国家重点研发计划重大科学仪器设备开发重点专项2018年度项目申报指南的通知》指出，通过专项实施，构建“仪器原理验证→关键技术研发(软硬件)→系统集成→应用示范→产业化”的国家科学仪器开发链条，完善产学研用融合、协同创新发展的成果转化与合作模式，提升我国科学仪器行业可持续发展能力和核心竞争力；《产业结构调整指导目录（2019年版）》将“分析、试验、测试以及相关技术咨询与研发服务，智能产品整体方案、人机工程设计、系统仿真等设计服务”列为鼓励类行业；《“十四五”规划和2035年远景》指出要加强高端科研仪器设备研发制造,加快构建以国家实验室为引领的战略科技力量，重组国家重点实验室，形成结构合理、运行高效的实验室体系；《中华人民共和国科学技术进步法》鼓励在功能、质量等指标能够满足政府采购需求的条件下，政府优先采购国产品牌。

2.2我国科学仪器自主化发展面临的问题

尽管有着一系列的政策支持与行业机会，但我国的科学仪器自主化仍存在着较大问题。由于起步晚、底子薄等历史原因，我国在高端科研仪器方面严重依赖进口，受制于人的局面尚未得到根本改观，其已成为制约我国自主创新能力提升的一个重要因素。造成这些的根本原因在于我国的科学仪器在技术上与国外存在着很大的差距，其主要体现在以下四点：

1.产品的性能、功能落后。现有国内产品在测量精度上要比国外产品差1个数量级，国外产品的智能化程度已经相当高，另外。在产品网络化方面，国外已进入实用阶段，我国才刚起步。

2.缺乏针对使用对象而开发的专用解决方案。国外近年来测量控制与仪器仪表的发展，是开发仪器仪表与应用对象紧密结合的软件产品，最终向用户提供个性化的解决方案。但是，我国企业在这方面尚没有形成产业。

3.产品的可靠性较差。目前，我国对基础技术和制造工艺的研究不够，一些影响可靠性的精密加工技术、密封技术、焊接技术等关键技术至今还没有得到很好的解决。现有的国内高挡仪器的可靠性指标与国外产品相比，大致要差1-2个数量级。

4.产品技术更新的周期长。当今国外产品技术更新周期大约为2-3年，新技术的储备一般提前到10年，而我国企业往往通过引进外国技术来实现一代产品的更新同时也存在着引进不能很好消化吸收开发新产品原创性少等问题。一些采用新原理的仪器产品，在我国尚处空白状态，科研院所在跟踪新技术方面虽有成果，但与企业结合以实现产业化还是比较少。

如此的技术差距深刻影响了我国的科学仪器的市场格局。目前，我国科学仪器的进口率极高，国外品牌优势明显，国际厂商占据主要市场份额，国内厂商规模较小^[12]。在一些低端领域，像北京普析、北分日立、聚光科技、安图生物等国内的企业依靠其低价及其原有的技术底蕴可能会占据一定市场份额。但在高端仪器领域，受人才储备、高强度研发投入以及技术积累的限制，国内企业几乎没有市场空间，基本被海外巨头所垄断，例如沃特世、丹赫纳、岛津、赛默飞、安捷伦等。

3.发展开源硬件促进我国科学仪器自主化

3.1我国的开源发展进程及基础

我国的开源发展历程可分为四个时代：启蒙时代、萌芽时代、发展时代、加速时代^[1]。1991年，我国与AT&T Bell Laboratories USL/USG合作，引进UNIX SVR 4.2版本源代码，并发布了中文版本，合作组建了中国UNIX公司；我国同时也引进“前UNIX”开放的源代码。此即是中国开源诞生的标志性事件，被Linux基金会收录，影响极其深远；1991年也因此成为了中国开源元年。

2019年至今，中国开源进入了一个新的时代——加速阶段。在现阶段，部分领先的中国企业不满足于拥抱开源，他们正在很多创新领域跃跃欲试，希望通过开模式来对创新技术进行引领，如商汤的OpenMMLab计算机视觉开放算法、矩阵元的Rosetta隐私AI开源框架、阿里的RocketMQ海量信息中间件、京东的JD Chain开源区块链、百度的PaddlePaddle深度学习平台和Apollo自动驾驶平台、海尔卡奥斯COSMOPlat工业互联网平台的工业APP开发框架开源项目等。同时，在现阶段出现了一些原生的开源明星项目，如Apache SkyWalking、Apache Echarts、Apache IoTDB、TiDB，其中一些优秀的开源项目如TiDB备受资本市场的推崇，创造了全球数据库融资历史新的里程碑。

由于技术限制、配套软件发展不足等问题，在早期我国的开源硬件发展极其缓慢。但是，近年来，随着开源硬件平台的普及和完善，更多的个人和企业都逐渐开始基于开源硬件平台进行各类产品和应用的开发。开源硬件现在已经成为了一个重要的发展方向。

现如今，开源硬件制造技术与3D打印技术相结合，提高了开源硬件制造产业的规模和效率；人工智能和机器学习的发展，使得开源硬件可以更好地适应不同的场景和应用。依托我国高效、完备的产业链优势，TWS（True Wireless Stereo）、RISC-V等技术得以在我国迅速完成产业化；软件、硬件结合的产品及软硬一体化的应用解决方案更是能够在很大程度上帮助我国占据全球市场领先地位。

随着开源硬件的发展，一系列开源社区与开源组织出现，进一步促进了开源硬件技术的进步。在开源社区上，OpenEuler社区致力于推动企业数字基础设施软硬件、应用生态繁荣发展；OpenAnolis龙蜥社区致力于通过开放的社区合作，构建国内自主Linux开源发行版及开源创新技术，推动软、硬件及应用生态繁荣发展；华为MindSpore社区面向全场景构建最佳昇腾匹配、支持多处理器架构的开放AI框架，帮助人工智能软硬件应用生态繁荣发展。在开源组织上，绿色计算产业联盟顺应软件开源与硬件开放的信息技术发展趋势，汇聚全球产业链优势资源，以ARM计算芯片等开放技术为基础，为最终企业用户提供更容易使用和管理的绿色节能产品；开源工业互联网联盟以帮助中小制造企业实现创新发展为主要目标，采用开源软件和硬件的运行模式，加强利用数字孪生体系列技术来推动开源工业互联网的广泛应用；开源社致力于促进中国开源软件和开源硬件的正确使用、授权许可、社区建设及管理，满足中国新兴软件行业日益增长的现实需求。

开源的发展，离不开国家政策的支持。《工业互联网创新发展行动计划（2021-2023年）》提出发展基于数字孪生技术的工业智能解决方案，支持开源社区、开发者社区建设。《工业和信息化部 中央网络安全和信息化委员会办公室关于加快推动区块链技术应用和产业发展的指导意见》提出建立开源生态；加快建设区块链开源社区，围绕底层平台、应用开发框架、测试工具等，培育一批高质量开源项目；完善区块链开源推进机制，广泛汇聚开发者和用户资源，大力推广成熟的开源产品和应用解决方案，打造良性互动的开源社区新生态。《国务院关于印发“十四五”数字经济发展规划的通知》提出支持具有自主核心技术的开源社区、开源平台、开源项目发展，推动创新资源共建共享，促进创新模式开放化演进。《知识产权强国建设纲要和"十四五"规划实施年度推进计划》提出研究制定信息技术开源知识产权合规标准、开源社区代码贡献规则标准等，开展行业开源知识产权风险及合规问题研究，加强行业开源知识产权合规评估与培训。

3.2发展开源硬件促进我国科学仪器自主化的建议

由上可知，我国科学仪器在技术上仍与国外有着较大差距，现阶段依旧极其依赖进口。开源硬件有利于科学仪器自主化发展，对创新创业也有极大帮助。因此，我国应深入推进开源硬件发展以加强科学仪器自主化。具体建议如下。

1.加强通过开源硬件创新发展科学仪器的理念引导。开源硬件对于科学仪器以及创新创业均有极大促进作用。但我国的开源硬件发展相对而言还很不成熟。因此，需要进一步加强理念引导，让开源硬件理念得到普及和广泛认可。

2.加大对科学仪器开源硬件项目和生态建设的政策支持。我国已对开源生态建设制定若干政策，但对开源硬件项目及相关平台和生态的支持政策有待进一步明晰。相关政策应着重促进开源硬件项目、平台和开源硬件在科学仪器中的应用，对于市场机构参与开源硬件提供支持。

3.加大对科学仪器与开源项目的研发投入，提高中国科研能力与开源自主能力。党的二十大报告提出“加快实施创新驱动发展战略”，对“以国家战略需求为导向，集聚力量进行原创性引领性科技攻关，坚决打赢关键核心技术攻坚战”作出重要部署。为此，应当鼓励政府机构和企业、科学家参与科学仪器研制，加大对科学仪器企业的投入与扶持，提高国产科学仪器的质量和数量，以使得让更多的研究者使用中国自主的科研仪器。加大对开源组织和企业的扶持，支持开源创新和项目孵化，持续打造高质量的开源项目，为创新型开源项目提供足够的资源、政策与资金支持，增加开源项目的国际影响力；加大对开源基础平台的投入扶持和对平台开发者的支持。

4.推动开源教育和人才基础，培养更多的科研人才。一直以来，我国都坚持着人才强国战略，这是抓住新一轮科技革命和产业变革机遇的必要条件、是破解我国发展难题的必由之路。为此，在开源硬件与科学仪器的发展上我们也应当秉持“人才至上”的原则。应建立开源教育资源平台，加大对开源教育与培训的投入，加强相应的人才培养，形成完善的开源人才教育体系。完善开源知识资源库的建设，鼓励中国开源开发者积极参与到国际开源项目的建设与贡献之中，促进与世界开源社区的融合。建立起产教融合、产学研一体化等的教育培养协同机制，积极鼓励开源实践。提高开源文化的宣传力度，提高研究者对开源相关技术的认知，推动开源文化的普及和传播。

5.加大开源技术、开源产品的知识产权保护力度。完善的知识产权保护体系是创新者的权益得以保障的重要条件，我国始终把国家知识产权战略放在重要位置。为此，应当建立健全相应的法律与规章制度，确保开源软件、开源硬件与开源人员的合法权益，完善相应的知识产权保护管理；积极参与国际开源标准制定，提高我国在世界开源社区的影响力，推动开源技术的标准化进程，提高相关主体与社区的信心和创新动力。

6.加强国际交流合作，提升国际影响力。应当进一步扩大中国开源与国际的交流与合作，与不同国家建立起多种形式的合作，促进技术共享与交流。推动中国科研与开源国际化，积极参与国际竞争，以相应的政策支持鼓励更多的科研企业或开源硬件企业走向世界，以赶超传统巨头为目标。吸收和借鉴国际先进经验，鼓励国际优秀人才、先进技术与尖端项目的引入，提升我国在全球的竞争力与影响力。

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