互动科普

一个只有900万人口的国家，却有着爱立信、ABB等众多高科技跨国公司；政府投入不及NASA的零头，却有着众多世界领先的科技成果；出现过多名诺贝尔奖得主，却并非因为那里是诺贝尔的故乡。其中的奥秘何在？2009年3月，本刊记者走访了瑞典的一些大学和研究机构，亲身感受到了他们在科技创新方面所表现出的睿智与活力。

曾经读过一本精美的小书——《瑞典和瑞典人》。初看目录时颇感困惑：一个以诺贝尔奖和层出不穷的发现发明闻名于世的国家，怎么独独没有“科技”一章？仔细看过后才发现，关于科技的内容完全融入在“经济”一章中。原来，他们已经认定，经济的发展须臾离不开科技的日新月异；反之，科技的创新也需要强有力的经济支撑。在瑞典，科技与经济已经融为一体，密不可分。

回头看去，在短短半个世纪的时间里，瑞典从一个贫穷、落后的农业国发展成为一个现代工业化国家，这在国际上被公认为是经济奇迹。在许多方面，它可以与日本的奇迹相匹敌。

瑞典自然资源丰富，森林、矿产和水力是实现这一工业革命的先决条件。但他们并没有满足于原料开采，而是不断进行技术创新，以发掘自然资源的更大价值。一系列天才的发明创造为瑞典的工程、化工、医药和电气工业打下了坚实的基础。

由于是个小国，瑞典并不把研究重心放在诸如航天、探月等大的科技项目上，而是集中精力研发与民生相关的科技项目。如今，瑞典在信息技术和生物医学等研究型高科技产业中，一直都处于国际领先地位。除了企业加大科研与创新的投入之外，据瑞典官方资料显示，为了使瑞典更具竞争力，2009～2012年，瑞典政府计划投入6.16亿美元用于科学研究与创新，这是以前投入资金的两倍多。他们选择了以下几个领域进行战略投资：医学—分子生物学、干细胞研究、再生医学、糖尿病、神经科学、流行病学、癌症、精神病学和护理学；技术—纳米科技、电子科学、材料科学、制造工程、信息及无线通信、传输研究、宇航和空间科学；气候—能源、自然资源、气候模型、海洋环境；安全和应急计划等其他一些领域。

古老的大学，创新的研究

乌普萨拉大学（Uppsala University）是瑞典乃至北欧地区最古老的大学，创建于1477年。它坐落于斯德哥尔摩北部的文化古城乌普萨拉市内。著名的植物学家、现代生物学分类命名法规的奠基人卡尔·冯·林奈（Carl Von Linne，1707～1778）曾在这里任教，他是世界上第一位专教植物学的教授。五百多年来，乌普萨拉大学凭借它古老的传统与杰出的研究享誉世界。在这里，曾诞生过8位诺贝尔奖获得者。在很多领域，它的研究屹立于国际前沿，比如新能源和新材料、基因组和蛋白质组、医药、神经科学、意识和行为研究等等。

安德斯·哈格费尔特（Anders Hagfeldt）是该校一位物理化学教授，他研究的课题之一是模仿光合作用的纳米太阳能电池，并已经取得了极大的成功。这种电池被称为“第三代太阳能电池”，其关键问题是找到适用和高效的化学过程和材料。我们知道，现在的太阳能电池所使用的材料主要是硅，它的弊端是高成本、低效率：一块功率为100瓦的太阳能电池板的价格达350～400美元；硅太阳能电池的效率只有10%左右，因此，1兆瓦的太阳能电池大约需要一个足球场那么大。因成本昂贵，一般只能在航天器等有限的范围内使用，难以成为解决能源危机并可大规模使用的替代品。哈格费尔特目前从事的研究是“染料敏化太阳能电池”（dye-sensitized solar cells，DSC），这种电池被喻为“人造树叶”。这项研究肇始于1991年，瑞士的Grtzel实验室首次采用了二氧化钛（TiO₂）纳晶薄膜作为多孔电极，使DSC实用化取得了突破性进展。一个典型的DSC主要包括纳米多孔二氧化钛半导体薄膜、透明导电玻璃、染料光敏化剂、空穴传输介质和两个电极。

哈格费尔特教授以二氧化钛纳米粉为原料，把它研磨成胶状，用涂敷法制得二氧化钛纳米多孔膜，并组装成太阳能电池。用100瓦氙灯作为模拟太阳光，对电池进行光电性能测试。这种电池的工作原理是，当太阳光照射在电极上时，有机染料分子（dye）获得能量，受到了激发，跃迁至激发态；激发态迅速向半导体电池的TiO₂导带内注入电子，同时自身转化为染料氧化态；注入导带中的电子富集到导电基底，并通过外电路流向另一个电极，形成电流。与此同时，处于氧化态的染料分子由电解质溶液中的电子供体提供电子而回到基态，染料分子得以再生。电解质溶液中的电子供体在提供电子以后，扩散到电极，重新得到电子而还原，从而完成一个光电化学反应循环，也使电池各组分都回到初始状态。从原理来看，这很像是植物光合作用的过程，但由于材料和结构可以有效控制，因而效率要比自然光合作用高。实验证明，染料敏化二氧化钛纳米太阳能电池的效率高于10%，而生产成本可大为降低—每瓦约为1.2美元。这种太阳能电池的潜在优势表现在3个方面：分子材料的使用使它在设计上能最大限度地满足特殊用户的需要，另外是它的低成本和高效率。它在模拟光合作用方面还有很大的发展空间，包括材料、结构等，在未来都有不断提升的可能。

能源危机是人类目前共同面对的一个亟待解决的难题，寻找可再生能源和清洁能源也因此成为各国科学家关注的课题。除哈格费尔特教授的研究以外，乌普萨拉大学电子学教授马茨·莱永（Mats Leijon）及他的研究团队也在这方面取得了令人交口称赞的成就。曾任全球知名企业—瑞典ABB公司研发主管的莱永教授，其研究重点是波浪能、风能和海底洋流能，此外，他还创建了Seabased海水波浪能发电公司。研究发现，波浪能是未经开发的潜力很大的可再生能源。由于海浪是最常见的现象，意味着波浪能具有一定的经济潜力。但对它的利用也面临着挑战，即缓慢的水体运动如何转换为适当的电能输出。他们先是在小范围内利用小波浪能进行试验，然后将此技术升级为利用大范围的海浪。

这项技术的原理其实很简单，即利用海浪的峰和谷的高度差产生能量。他们使用的装置被称作波能转换器（一种线性发电机），通常被安装在海床上，其内部由两片定子、一片转子和弹簧构成。转换器通过缆绳与海面浮标连接，通过浮标的上下浮动，带动发动机内的活塞运动，从而产生电能，再通过二级转换将电能接入主电网。目前，全球波浪发电技术约有八十多种，但这项技术的与众不同之处在于：通过众多、小型的波能转换器编组发电（有的在水下20～100米深处），克服了传统波浪能发电技术效率低，发电机庞大、易损，安装、配套和维护费用高等弱点，而且该技术能够实现在海水波动相对温和的海面上产生电能。目前，莱永教授在瑞典西海岸的Lysekil建成以波浪能发电的试验电站，同时在乌普萨拉大学实验室同步研发，并通过无线通讯等手段监控试验电站的发电效率、效果以及对当地环境的影响。试验证明，波浪能发电的效率远高于太阳能和风能。这项技术虽已接近商用和工业化，但尚未完全成熟，目前仍主要专注于技术和产品的深入研发。

做“医学院的先驱”

卡罗琳斯卡学院（Karolinska Institute）是瑞典最大的医学教育与研究中心。每年，诺贝尔生理学或医学奖的候选项目都汇集于此进行评选。历史上，获得过这一奖项的8位瑞典人中的5位来自于卡罗琳斯卡学院。1810年，由于战争和霍乱，瑞典王室颁布法令，要求建立一所“外科领域的军队学院”，卡罗琳斯卡学院由此诞生。

二百年来，来自卡罗琳斯卡学院的科学发现令医学一步步向前发展：心脏起搏器、血细胞在产生抗体中的作用、治疗脑肿瘤的伽马刀、激素的生长、胰岛素和肝素、治疗风湿性关节炎的第一种药物……成功的研究为人类健康谋取了福祉。虽然取得了如此多的骄人成绩，但卡罗琳斯卡学院并没有停止创新的步伐，做“医学院的先驱”一直是他们追求的目标。

2009年3月9日，美国总统奥巴马放宽联邦政府资助胚胎干细胞研究的新闻，引起世界关注，也令美国医学界欢欣雀跃。因为许多国家都已经意识到，具有无限医疗潜力的干细胞研究将对民众健康产生深远影响，并且都想在这一领域拔得头筹。正是基于这一点，卡罗琳斯卡学院的细胞和分子生物学教授约纳斯·弗里森（Jonas Frisn）早在2000年之前就已经开始了干细胞的研究。由他领衔的研究团队率先发现了成人干细胞能够分化成其他器官所需的各种细胞，《科学》杂志首先对这一发现进行了报道，并将其评为2000年最重要的科学发现之一。弗里森教授在干细胞用于治疗糖尿病、癌症、帕金森症、脊柱受伤这4项研究中，取得了令国际同行无出其右的成绩。

我们知道，成年生物体内有多种体细胞，如血液细胞、肌肉细胞、免疫细胞等。干细胞则是未充分分化、具有自我更新和分化潜能的细胞。受精卵分裂发育成囊胚时，内层细胞团的细胞即为胚胎干细胞，它具有全能发展潜力，可以分化成所有不同种类的体细胞。就像刚出生的婴儿，未来有着无限的可能。

2000年6月2日，《科学》杂志曾刊载弗里森教授及其同事的新发现：注入到第四期鸡胚羊膜腔的神经干细胞可分化为肌肉细胞。证明了本应源于中胚层和内胚层的嵌合胚胎细胞中的有些细胞却源于神经干细胞，而且这些细胞与周围的细胞难以区分。同样的实验证明，一个神经干细胞就有足够能力分化为不同的细胞。他们还将小鼠的神经干细胞与桑葚胚细胞混合培养至胚泡期，发现大多数细胞整合入滋养层细胞，极少数细胞出现于内层细胞团，仅有1%的胚胎细胞源于神经干细胞。但是，如果将神经干细胞直接注入早期胚泡中，这些细胞可发育成为内层细胞团的一部分，约有12%的胚胎细胞源于神经干细胞。证实在中枢神经系统、心脏、肝脏、小肠和其他组织中均存在这种细胞。

2006年6月16日，《细胞》杂志刊登弗里森教授发现肠道干细胞产生多少新细胞的调控机制的文章。人体大部分的器官中，老的细胞不断地被新的细胞替换。如果产生太多新细胞，就可能形成肿瘤；但如果制造的新细胞量太少，就可能导致器官退化。因此，产生精确的定量细胞相当重要。新的细胞是由干细胞形成的，但是调控干细胞产生多少个新细胞的机制一直是一个谜。在这项新研究中，约纳斯·弗里森领导的研究小组成功地发现了调控干细胞分裂程度的信号转换过程，也就是干细胞如何控制新细胞的产生数量。这一发现能够帮助人们通过刺激或减少新细胞的产生来治疗一些疾病，比如中风、帕金森症等神经性疾病，生成皮肤细胞治疗外伤等。

2008年7月，弗里森教授和美国同事一起，在《公共科学图书馆·生物学》（PLoS Biology）杂志上刊文，称发现脊柱受伤后，如果脊柱中的干细胞被诱导分化成更多的愈合细胞和较少的疤痕细胞，将有望开发出一种脊柱受伤非手术治疗的新方法。这一成果将可能应用于开发新药，使世界各地每年3万名因脊柱受伤而造成行动不便的患者因此得以部分康复。

亨里克·埃尔松（Henrik Ehrsson）是卡罗琳斯卡学院神经科学系的一位有着丰富临床经验的博士，因“人体交换感知幻想”技术（the Perceptual Illusion of Body Swapping）而闻名。他的研究小组致力于探究“我们是如何感知到自己身体的”。拥有身体的感觉是自觉意识的一个基本方面。埃尔松利用简单的虚拟现实技术，使参与实验者产生了少有的体外经历和自觉意识，即一个人能够感受到他正在从自己的身体之外“看到”自己和周围环境。

在第一次实验中，受试者带上了比普通眼镜大一圈的眼镜，并被要求向下看。与此同时，连接在一个人体模型头部的摄像机传出视频，投射在眼镜的显示屏上。简单地说，受试者正朝着自己腹部所在位置的方向看，而实际上他们看的是人体模型的腹部。此时，受试者要做的就是抚摸人体模型的腹部和自己的腹部。他们报告说，自己感觉好像是在抚摸着人体模型。一分钟的接触之后，研究者们拿起一把刀，对人体模型的腹部进行一个普通的生理压力检测。检测结果显示，受试者的生理压力水平出现跳跃，这意味着受试者已经在精神上获得对人体模特的所有权。

在另一组独立实验中，受试者与另一个人握手两分钟，同时看着从连在对方头上的摄像机传来的视频。难以置信的是，当对方的手被刀子威胁的时候，受试者们感受到了比他们自己受到威胁时更大的压力。

这些实验为由亨里克·埃尔松所引发的持续数年的争论提供了更多的证据，即视觉—而非仅仅是触觉—在我们对自身和环境的感觉中起着主要的作用。这一结论也与传统教科书上所说的明显不同。这项研究成果将对未来的“人-机器人”合作产生重要影响，在工业和临床应用上导致突破性的进展，有助于科学家开发更有现实感的计算机模拟和远程遥控系统，并加深对精神分裂症等疾病患者大脑活动的理解。

具有创新活力的科学城

从20世纪70年代开始, 瑞典由基于自然资源优势的专业化生产（比如森林工业）转向以高科技产业为出口导向的多元化生产, 目前已成为世界上最具创新氛围和创新活力的国家之一。如何将创新研究转化为生产力，或者说，如何将研发与生产有效地结合起来，瑞典基斯塔科学城（Kista Science City）可以说是一个比较成功的范例。

基斯塔科学城位于斯德哥尔摩的西北部，在地理上具有靠近乌普萨拉大学和商业中心区的优势，其前身是基斯塔科学园（Kista Science Park）。2005年，它被评为全球第二个最有影响力的高科技中心，地位仅次于美国的硅谷。科学城内约有12万居民。据2008年的数据显示，共有4731家公司、62248名员工在此安营扎寨，其中，信息通信技术方面的公司有525家，共20185名员工。

20世纪60年代，斯德哥尔摩市政府决定在城市核心区边缘开发集工作与居住于一体，且独立于斯德哥尔摩市的卫星城镇，目的是把处在商业成本较高的核心区的制造业和城市核心区的污染性企业吸引到外围地带。当时，斯德哥尔摩市已经形成了一定规模的电子制造业，其中一些企业出于生产扩张的目的, 迁到了基斯塔科学园。1976年，瑞典的龙头企业——爱立信公司开始在基斯塔科学园设立分支机构，从此对园区的发展起到了重要的带动作用，从众效应导致更多的电子企业入驻。于是，市政府开始提高其“电子工业区”的形象, 并通过政府管制引导电子类企业入驻。

从一个科学园区发展成为一个科学城，基斯塔经历了三个阶段：单一产业的地方化、跨国研发机构迁入的全球化以及产业群结构调整的多元化。2001年，斯德哥尔摩市政府、当地企业、斯德哥尔摩大学以及其他机构联合组成了“基斯塔科学城”这一合资机构，采用产业、政府、大学的三螺旋模式（triple helix model）来负责整个地区的发展。

基斯塔科学城发展至今，三大因素起到了至关重要的推动作用：

本土强势企业的带动作用。爱立信是全球最大的通信公司之一，它在基斯塔科学城拥有5个下属企业，可谓占据了半壁江山。它的辐射效应和品牌效应，能够不断吸引企业聚集于此。

大学对人才的培养。1999年，瑞典的两所知名学府皇家理工学院和斯德哥尔摩大学共同投资1亿瑞典克朗在基斯塔成立了一所专业大学——信息技术大学（IT University），重点开设电信、通讯技术方面的课程，为园区未来的可持续发展提供了强有力的技术支持和人才保障。大学的研究人员、博士生到企业任职，共同参与技术研发，产业界人士也经常到学校讲课。

创新激励机制。2002年，为了更好地应对市场，基斯塔科学城设立了STING（Stockholm Innovation & Growth）孵化器，目的是把来自企业、IT大学和研究机构的开发理念产业化。它包括商业实验室（向研究人员及在读大学生免费提供研发基础设施的孵化器）、商业加速器（缩短技术成果市场化的时间）、公司创造器（组织经验丰富的商界人士对刚刚创业的企业家进行培训）以及成长计划（为在发展过程中遭遇打击的企业提供支持）。

在瑞典短短几天，听到的最多的一个词就是：innovation（创新）。的确，创新为瑞典的科技注入了活力，为瑞典的经济带来了生机。也正因此，瑞典孕育了许多经验丰富和实力雄厚的成功的跨国公司，比如爱立信、ABB、沃尔沃、伊莱克斯、哈苏相机、H&M、宜家家居等等。按人口比例计算，瑞典是世界上拥有跨国公司最多的国家。他们的发展或许能够带来这样一个启示：在科研领域，模仿固然不可缺少，但创新尤为重要。

创新永无止境。

（本文发表于《科学世界》2009年第5期）