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第六十讲:应重视颠覆性技术背后的基础科学研究
文章来源:中国电能质量治理网
发布人姓名:Chinapqc
发布日期:2017/5/31

编者按:当代技术进步呈现两种基本模式,即渐进性技术模式与颠覆性技术模式。颠覆性技术可以突破传统线性技术路线,对现有技术体系和市场结构产生变革性影响,日益成为各方关注的焦点。然而,相对于渐进-突变的纵向模式,横向学科交叉研究相对滞后。本文探讨了与颠覆性技术相关的重要概念,分析了颠覆性技术的内涵特征及其与颠覆性创新的关系,认为基础科学的交融发展是催生未来颠覆性技术的培养皿,并在结论中提出对信息、生命、材料和物质这四门科学优先配置资源将有助于颠覆性技术的产出。
国家竞争和企业竞争,按照马克思主义的哲学观点,从根本上来说是生产力的竞争,是科学技术的竞争。2008年国际金融危机以来,世界主要国家对技术预见高度重视,颠覆性技术成为各国战略布局的重点。在2016年召开的全国科技创新大会、两院院士大会、中国科协第九次全国代表大会上,习近平总书记明确指出“推动科技发展,必须准确判断科技突破方向。判断准了就能抓住先机”。这再次表明:研究颠覆性技术时不我待,敏锐地识别、捕获和培育那些对经济社会发展、国防和军队建设具有战略影响的颠覆性技术,有利于抢占新科技变革的战略主动权,奠定国家在世界竞争格局中的优势地位。

一、颠覆性技术的概念和特征
当代技术进步呈现两种基本模式,即渐进性技术模式与颠覆性技术模式。渐进性技术,又称维持性技术,指的是已立足于市场的现存技术,其模式表现为现有技术在性能上做增量的改进和完善,市场风险小,获利也较稳定[1]。颠覆性技术,又称破坏性技术,是一种另辟蹊径、对已有传统或主流技术途径产生整体或根本性替代效果的技术,可能是全新技术,也可能是现有技术的跨学科、跨领域应用。颠覆性技术模式表现为新技术的发明、应用,以至超越并取代现有主流技术。颠覆性技术(disruptive technology)的概念首先出现在20世纪90年代,由美国哈佛商学院教授Clayton Christensen提出[2]。他从市场角度出发,认为颠覆性技术是指这样一类技术:它们往往从低端或边缘市场切入,相对主流技术,初始时存在质量低、风险高、利润少、市场小等特征,随着性能与功能的不断改进与完善,最终取代已有技术,开辟新市场,形成新的价值体系。从技术上看,颠覆性技术并不一定很难实现,关注点在于性能属性,即功能,往往是对通过改变功能来实现市场的变化[3]。从理论上来看,任何一个领域都存在技术的极限,技术演化通常经历四个阶段:技术出现、快速增长、缓慢增长、技术极限,呈现出“S”型曲线[1,4]。通常一项技术发展到曲线末端时,即接近该技术的极限时,其市场竞争力趋于减弱,新技术将取而代之。然而,颠覆性技术并不必然在原有技术性能趋于技术局限时才产生,可能在第二或第三阶段就已经产生。
从技术发展的纵向脉络来看,早些年的技术创新可能更多发生于原有技术达到其极限、需要进行技术创新时,其动力更多是来源于技术供给方的推动。技术进步则主要表现为渐进性技术模式。与渐进性技术相比,颠覆性技术具有突变性、前瞻性、适应性和不确定性等特征。然而,随着技术替代的速度日益加快,当前技术创新动力不再主要源于原有技术的弊端改进,市场需求更加多元化,竞争在信息化时代下变得更加综合化、高技术化,由此催生的技术更新换代速度明显加快,市场力量的推动也日益明显。对于行业而言,颠覆性技术意味着经济效益迅速变化,或者替代技术取得突破性的进展[5]。对国家而言,关注颠覆性技术所引发的生产革命和消费革命至关重要,研究颠覆性技术就是要凭借技术领先优势维护国家安全[6],是关乎国家竞争力和国际地位的重大课题。颠覆性技术模式日益引起与现有技术利益攸关的各方关注,有能力的研发主体便开始积极进行研发布局。
从技术发展的横向交织来看,颠覆性技术往往诞生于学科交叉、应用拓展和研发创新的实践活动中。横向的学科融合是颠覆性技术的重要来源之一,本文在第四部分有进一步探讨。

二、颠覆性技术与颠覆性创新
近些年,颠覆性创新受到国家和企业的高度关注,重要原因是颠覆性创新容易造成“技术突袭”,改变“游戏规则”,为实现“弯道超车”带来机遇。2003年,Christensen在《创新者的解答》一书中,以“颠覆性创新”提法取代“颠覆性技术”[7],强调不仅是新技术本身,而是技术的全新、广泛应用带来的“颠覆性效应”。实际上,在20世纪初,经济学家约瑟夫·熊彼特(Joseph Schumpeter)就提出了一个类似的概念——破坏性创新。他把创新视为不断地从内部革新经济结构,即不断破坏旧的,不断创造新的结构[8]。创新就是让过去的固定资产设备和资本投资过时、无效,或者贬值,通过创新产生大量新的资本(利润)来弥补这些贬值和无效。打字机变得过时是熊彼特所指的破坏性创新的一个例子。随着技术创新速度的加快,许多有着绝对领先技术的公司承受失败,而处于追赶中的小企业反而成了行业领导者。Christensen针对颠覆性创新的理论研究更进一步提出,颠覆性创新区别于渐进式创新主要在于技术创新是否沿着既有的技术路径,以提高已有产品性能为主。工艺的改进、产品性能的改善等都是为了更好满足既有市场,而颠覆性创新则更加注重开发新的市场,或为现有市场带来全新的产品或体验。实施颠覆性创新的企业采取的是与主流市场不同的技术或商业模式,针对非主流用户或非消费者提供有差异性的产品或服务,从占据低端市场或新市场入手,直到获得行业领先地位。例如,苹果公司以其智能手机颠覆了原有手机市场的格局,与其说是技术创新,不如说是一种商业模式的创新。
由此可见,颠覆性技术与颠覆性创新既有联系,也有区别:颠覆性技术可以被理解为是实现颠覆性创新的一种途径,而且是极其关键的环节,颠覆性技术既可以是全新的技术,也可以是与已有技术的新组合,关键是能否带来“颠覆性应用效应”,以实现颠覆性创新。而颠覆性创新不仅包括技术突破,还包括商业模式、市场战略等内容,它更倾向于把“颠覆性”与经济概念连接。对颠覆性创新的阐释多是从经济社会的角度出发,技术突破只是经济目标实现的条件之一。经济学家们的颠覆性创新,强调新的商业模式和经济价值体系的形成,以及对人们生产生活方式的改变,在这里颠覆性技术不是必需的要素,开发新的市场也可以带来颠覆性影响。此外,在军事领域,颠覆性创新具有不同的内涵:强调发展可能使军事力量结构、基础以及能力平衡发生根本性变革,进而改变作战模式或作战规则的技术,又称“改变游戏规则”的技术[9,10] 。因此,军事领域的颠覆性创新往往与颠覆性技术高度契合。

三、颠覆性技术的识别
颠覆性技术并不容易识别。历史经验表明,只有当颠覆性技术对现有技术体系产生破坏性影响后,其重要性才被正视,但是企业往往对新出现的、可能导致颠覆性影响的技术不加重视,最终酿成苦果。例如,数字技术转移应用到照相领域,颠覆了传统的基于胶片的照相技术,但是在数字照相产生之初,像柯达这样的大企业由于对胶片事业巨大利润的“路径依赖”,使得其转型显得犹豫且缓慢,并最终走向了没落[11]。虽然此后柯达制定了战略重心向新兴数字产品转移、更换公司标志等策略,但已积重难返,最终遭遇破产。Christensen也很早注意到这一现象,为此,他在1997年《创新者的窘境:当新技术使大公司破产》一书中提到,反复的事实让我们看到,那些由于新的消费供给范式的出现而“亡”的公司,本应该对颠覆性技术有所预见,但却无动于衷,直至为时已晚[2,12] 。
科研部门和企业在颠覆性技术预判中,都在努力寻找某项关键性能指标,来描述颠覆性技术和已有技术之间的显著不同,以便直观地判定颠覆性技术,这一思路如图3所示[13]。从技术路径的角度来说,颠覆性技术会打破原有技术的生命周期,形成新的技术轨道。因此,有学者认为,对于技术预测人员或技术路线图规划者来说,传统的技术预测方法(针对渐进性技术)可能不适用于颠覆性技术的识别,应提出与颠覆性技术特性相契合的识别方法[14,15] 。
对于企业管理者而言,技术人员要比市场和财务人员更支持颠覆性技术,因为市场和财务人员满足的是客户需求,而那些颠覆性技术在最终满足客户需求上往往表现不佳,容易被市场和财务人员忽视,因此,对于颠覆性技术的识别需要由技术人员和市场财务人员共同完成,甚至通过争议进行识别。
对于行业战略制定者而言,一方面要重视颠覆性技术的产生以及可能带来的影响,更重要的是应该遵循科技创新的一般规律,加强重要科技领域的技术储备。美国国防部高级研究计划局(DARPA)的众多技术和产品为人们津津乐道,但实际情况却是,DARPA项目在运行过程中,不仅项目经理有轮换制,项目本身也有可能被淘汰。DARPA每年将20%的资金用于新项目,因此一些没有太大进展的项目就要被淘汰。而DARPA之所以具有如此的持续影响力,则在于其与一般研发机构不同,具有独特的物质资本、政治资本和智力资本。美国国防领域技术的全球领先和硅谷技术创新的高速发展,是源于美国几十年持续不断的研发投入和高效的市场竞争机制,其雄厚的技术储备是其他国家短时间内无法超越的。
对于国家而言,积极布局和发展颠覆性技术,更需要在宏观管理层面施以政策进行激励。柯达破产这一事件或许意味着,成熟技术存在被新技术完全替代的可能,今天的畅销品或许明天就会无人问津。但是,如果单靠现有企业自身保持敏锐嗅觉和前瞻眼光,进行技术创新和研发,在技术设备和市场需求的转换成本上无疑会遭遇困境。因为从资金角度而言,企业或部门如果过分追求高投入、高风险的颠覆性技术研发,而忽视对现有技术的创新和升级,则会陷入失去现有市场而导致的失败中。我们需要创造的是一种积极创新、优胜劣汰的机制,让小企业能够积极参与市场竞争。很多事例说明,颠覆性技术往往产生于小企业。大公司被小公司赶着创新,甚至不惜资本,收购小公司以图将来不被超越。对一国政府而言,需要为小微企业培育成长环境,让小微企业引发的“鲶鱼效应”激活市场的创新活力。

四、颠覆性技术的培育:
重视颠覆性技术背后的基础科学研究
当前对颠覆性技术的讨论,更多关注对可能取得突破的颠覆性技术领域的跟踪研究与预测分析。然而,缺乏对技术背后的基础研究布局的深度分析,对于应对颠覆性技术发展的研发力量布局研究基本处于空白阶段,值得高度关注和深刻反思。基础科学是生产力发展的源头,是技术转移和产品创新的基石。习近平总书记在今年的“科技三会”上指出:“历史经验表明,那些抓住科技革命机遇走向现代化的国家,都是科学基础雄厚的国家;那些抓住科技革命机遇成为世界强国的国家,都是在重要科技领域处于领先行列的国家”,建设科技强国,“首先就要夯实科技基础”。这些都为颠覆性技术的培育指明了途径——重视基础科学研究。
1. 基础科学研究的定义和分类
从根本上讲,技术仍然是器物和技巧层面的。颠覆性技术或许能够改变局部市场或战场的力量结构,但人类发展更需要的是“形而上”的基础科学的大踏步发展和建树。按照一般理解,所谓基础学科,是指研究社会基本发展规律,提供人类生存与发展基本知识的学科,也是技术进步的起搏器[16]。基础科学有很多定义和分类,一般具有以下特点[17]:一是物质运动最本质规律的反映,与其他科学相比,抽象性、概括性最强,是由概念、定理、定律组成的严密的理论体系。二是与生产实践的关系比较间接,需通过一系列中间环节,才能转化为物质生产力。三是一些成果的重大作用易被人们忽视。四是研究具有长期性、艰苦性和连续性。五是研究成果具有非保密性,一般公开发表,成为全人类共同的精神财富。
2. 研究的国家财政投入
虽然对基础科学的定义和分类不同,但大致上每个国家都有自己的基础科学财政支出和预算,这可以作为考察基础科学发展状况的一个切入点。当今世界,新技术不断萌发的国家大致有美国、日本、德国、英国等,其中,以美国为最。美国是第二次、第三次工业革命的发源地,而且是科研实力和经济规模与中国体量相当的比较对象。
据2016财年美国联邦政府预算报告和2014年、2016年美国《科学与工程指标》显示,2016年美国政府科研投入预算1456.94亿美元[18],占总预算的3.6%;2013年为4561亿美元,占当年GDP的2.7%。2013年联邦政府约16个部门的科研总投入中,基础研究约占23.7%,应用研究和开发研究分别占23.5%和53.8%[19],这与2011年的数据相比基本没有大的变化(三者分别为:基础研究占19.0%,应用研究占19.5%,和开发研究61.5%)[20]。投入最多的几个领域分别是生命科学、工程、物理和环境科学[18],美国的基础科学投入占其政府科研总投入的比重一直比较稳定,约为20%。
中国的政府科研投入也在逐年增加,2015年为科学技术支出2136.5亿元,同比增长10.9%[21],占当年GDP的0.32%。通过考察自然基金委、科技部、中科院、工程院、中国科协、教育部、工信部、发改委、卫计委,以及农业部10个部门2015年的统计数据(统计截止于2015年12月),发现基础科研预算最多,约占总预算支出的47%,是应用研究的近一倍(见图5),这与2014年的支出情况比较相似(见图6)。
上述科研投入数据反映出中国科研水平的迅速提升,这符合“跟跑、并跑向领跑”转变的现实。美国总统科技助理、白宫科技政策办公室主任John Holdren博士曾坦言,美国面临着在研发开支方面被中国超越的“真正危险”,如果中国的研发开支继续以每年20%到25%的速度增长,“他们在2022年之前就会超过我们”。[22]同时,通过简单的比较分析可知,我国的基础科研虽然占自身科研总投入的比重很大,但不到总预算的2%;美国的基础科研虽然占其科研总投入的比重仅有1/4,但却达到其当年政府总预算的近4%。可见,仅从科研投入水平上看,美国对基础科学的大力投入,就是增加他国追赶成本,确保自身的领先优势。此外,美国重点关注生命科学、工程、物理和环境的科研发展,这些是极具战略价值的、有可能培育出颠覆性技术的领域,值得我国借鉴。
3. 基础科学研究交融发展
研判可能培育颠覆性技术的基础科研方向,不但需要借鉴他山之石,而且需要身体力行,科学地、系统地开展调查研究。
为了提供更多科技力量战略布局参考,中国科协创新战略研究院与2015年12月开展了专项调查,从基础科学及其融合的考察角度,向高层次科技专家和企业家征集关于颠覆性技术的意见。访谈对象包括中国科协常委、千人计划入选者、全国学会理事长、“海智计划”联系的科学家等,并委托“未来论坛”组织向企业家和投资人发放问卷。调查显示,科学家认为,立足中国国情,应该超前布局的领域应主要集中在医学与生命、工程材料、信息技术、能源环境、地球天文和综合交叉等六大领域。不同的是,科学家对于地球天文领域中国的布局与世界相比,还存在一定的差异。另外,在科研人员创业、国家安全、应急预案等与国家发展和国防安全相关领域的布局,也受到科学家的关注。按照提及频次来看,基因组学、细胞技术与生命机理探索、新材料、机器人/人工智能、能源等领域出现的频次较高。此外,医学与生命科学领域中的分子演化、神经系统科学、认知生物学、生物和大健康产业;信息技术领域的量子计算机与量子通信、大数据、交通管理系统的高度智能化;工程材料领域的3D打印;能源环境领域的环境科学、资源可持续循环利用和发展、新能源、储能技术;综合交叉领域的生态农业与精准农业等,出现频次较高。
综上所述,基础科研的交叉融合是颠覆性技术的培养皿。信息、生命、材料、物质等基础研究的交叉融合有望持续催生新技术,提前在这些基础科学布局人力和物力资源,有助于下一阶段颠覆性技术的培育和产出。
2016年8月,国务院规划部署了面向2030年的15个科技创新重大项目,为下一步科研发展指出了重点方向,包括量子通讯和量子计算机、国家网络空间安全和天地一体化信息系统、智能制造和机器人、新材料、航空发动机和燃气轮机等,这些科研方向与中国科协的调研结果能够相互印证。
总之,颠覆性技术不仅是通过技术的纵向缓慢渐进发展产生突变而得到的,也是在横向学科的交叉融合中逐渐萌发并迅速发展的,尤其是基础科学的融合与拓展,是人类认识世界思维方式的辩证统一与升华。站在新形势新起点下,中国科技界既要遵循跟跑、并跑的原则,也要积极响应主动领跑的号召,全局考察世界经贸格局,加强国家目标导向的基础研究,注重在信息、生命、材料和物质科学领域开展前沿探索,力争在更多战略性基础科学领域实现率先突破,在关键核心技术领域取得颠覆性创新。

致谢:清华大学社科学院李正风教授和中国科协创新战略研究院杨光博士为本文的撰写提供了重要指导和帮助。由于期刊作者人数的限制,很遗憾不能列入作者,谨在此致以衷心的感谢。
参考文献(略)
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