揭开德国科技转化的神秘面纱 | 弗劳恩霍夫模式探索
更新时间：2020-07-15 15:06:28 点击次数：4589次 字号：T|T
基础科学研究的每一次突破，紧随其后的若干年，都会带来应用研究的繁荣，然后就是价值创造和工业水平的提升。
德国就是将产学研紧密结合，成为链接工业生产，人才培养和研究开发的一座金桥，最成功的机制莫过于弗劳恩霍夫研究院（德文名字叫协会，但这些协会的业务本质是研究院）的组织和运营模式。
在与新中国诞生的同一年，德国三个州政府，及科学和工商界的代表聚集在巴伐利亚经济事务部，举行了弗劳恩霍夫研究院诞生典礼。103名创始会员奠定了至今依然影响协会理念和态度的理想基石：用创新理念开拓未来。这一基石，70多年不曾动摇。弗劳恩霍夫研究院的定位，就是面向应用技术研究的世界领先组织。以应用研究为重点方向，弗劳恩霍夫研究院作为欧洲最著名的公共非营利科研机构，并不追求商业目的，研究工作完全面向人们具体的需求领域：从健康、安全，到制造、通讯、能源等，都是研发对生活具有重大影响的工作。在2019年研究院成立70周年之际，在德国已经设有74个研究所和研究机构。约有28,000名员工，主要接受科学或工程研究，开发和培训，每年的研究经费28亿欧元，其中23亿欧元用于合同研究领域。大约30%来自于政府公共项目，70%来自于工业项目。实际上，弗劳恩霍夫在德国整个科研、教育、技术的理论和实践中都占据着举足轻重之地位。而德国联邦科教部在科学研究和创新报告中，则对所有科学研究机构都做出了明确的定义和分工，对需要实现的目标，都有清晰的描述和安排。除了大学之外的公共研究机构的布局之外，德国有四大天王级的研究机构，涵盖了几乎所有基础研究，某些方面可以说形成了国际上唯一具有的科学研究基础设施。（来源：BMBF德国联邦科学教育部2018年研究和创新报告汇总 ）以上四大科学研究机构的研究经费从2005年的51亿欧元，至2017年增加至99亿欧元，12年近乎翻了一倍。弗劳恩霍夫研究院取名来源于慕尼黑学者弗劳恩霍夫，基本跟拿破仑是同代人。他是第一个系统地研究、测量和发布太阳光谱中暗线现象的人，弗劳恩霍夫线成为物理专业术语。一方面为科学史上为光谱分析和天体物理学的发展做出了重要贡献，与此同时，弗劳恩霍夫也是光学和精密工程领域科学方法论的奠基人，是德国精密光学的先驱。研究院取这个名字，本身就是科学家，发明家和企业家的三合一。在他身后100多年被重新命名成一个研究院的时候，就决定了它产学研不可分割的一体化使命。有意思的是，这个研究院每过10年，就会根据时代的需求，确定主题任务，从而践行不同的时代使命。
图2：德国弗劳恩霍夫研究院每十年的新生
1949-1954创建之初: 作为德国研究基础结构重组和扩展的一部分，在最初的几年中，作为非营利组织的任务主要是行政技术任务：利用公共基金，会员捐赠用于与业务相关的重要研究。活动领域主要在巴伐利亚经济地区。这一段时间，主要是为适应战后最初的需求，将采矿、冶金和机械工程领域的研究作为前景。随后十年，研究院融入德国研究领域。这也是德国创造经济奇迹的时代。经济普遍乐观的情绪使私营部门在研究院研究和开发方面的支出增加到总计6亿马克。经济奇迹的开始也改善了弗劳恩霍夫研究院的市场发展状况。此间，德国研究专利局创立，自此，位于慕尼黑的弗劳恩霍夫研究院PST的德国研究专利局开始接管研究专利登记工作。同期，赫尔曼-冯-西门子（Hermann von Siemens）作为弗劳恩霍夫第三任总裁开始了他九年的成功管理工作。在弗劳恩霍夫研究院成立20周年时，已有1200多名员工，19个研究所和中央行政管理部门，研究院总预算为3300万马克。这期间充满了裂变的活力。1967年在卡尔斯鲁厄成立了ISF振动研究所,后来它成为弗劳恩霍夫信息与数据处理研究所IITB。在2010年， IITB与光电与模式识别研究所合并，成立了弗劳恩霍夫光电、系统技术和图像分析IOSB研究所。这正是德国工业4.0的智能工厂联盟SmartFactory的牵头者。斯图加特的IPA制造技术和自动化研究所以前由弗劳恩霍夫研究院总部进行行政管理，1970年也合并独立成所。这是当前工业4.0最活跃的院所。弗劳恩霍夫研究院是德国工业4.0和智能制造国家战略规划重要参与方和实践者。而不来梅的AFM应用材料研究，也是这个时期发展起来的。研究院与时俱进，显示了向自由经济中常见的组织结构的转变，所有弗劳恩霍夫研究所都被分配到某些特定研究领域。就在这样的一个时间阶段，弗劳恩霍夫正在走向稳定的塑形，组织和运营模式日渐确立。弗劳恩霍夫研究院发展促进委员会，开始关注组织变化，促进三联动的发展，“前期研究、合同研究和委托研究”逐渐形成整体关联。而研究所的区域均衡分配、空间分布，以及基于绩效的薪酬制度，都是在这个时候确立的。其中基于绩效的基础资金的 “弗劳恩霍夫模型”（Fraunhofer model）形成，该模型根据弗劳恩霍夫在获得合同研究方面的成功而增加政府基本资金，意味着研究开发工作始终坚持以市场为导向。而在1990-1999这十年，则重点考虑复合人才的发展，引入新的人才战略，促进合作型的管理风格，为每个员工融入责任和发展观点。研究院下设立创新联盟，例如1999年GMD(德国信息技术研究中心曾经是德国大型应用数学和计算机科学研究机构，1968-2001年)的八家研究所与弗劳恩霍夫的六家相关研究所组成了新的信息和通信技术联盟，该联盟拥有14个研究所和2500名员工，构建了欧洲最大的ICT研究网络。当1999年弗劳恩霍夫成立50周年之际，有47个研究所和中央行政管理总部，共计9,300名员工，每年预算达到了14亿马克。这一时期，研究院正在做大量准备，通过加强市场研究和技术研究，来确定未来的研究领域，以继续履行其作为德国经济创新引擎的作用。与此同时，弗劳恩霍夫研究院开始加强了国际联络，参与国际科学界和工业界的合作。增加工业研究在弗劳恩霍夫研究院总预算中所占的份额，而内部的合作通过进一步面向技术的研究所团体和虚拟中心网络得到改善。由联邦研究部和弗劳恩霍夫研究院成员组成的“联合委员会”旨在详细规划社会的发展 。2000年，弗劳恩霍夫的科技转化成果，在全球迎来了最辉煌的一刻。它的集成电路研究所IIS为主导的产业集群，专注于集成电路、电子部件和系统开发，这一年它成功首创了mp3，奠定了网络音乐的基石。mp3是同时用于编码和压缩音乐数据的全球通用方法，苹果的iPod成为最大的受益者。如今这种影音技术，早已广泛用于虚拟现实、汽车音响系统、移动电话以及广播和流量媒体。当今售出的每部手机均包含该研究所的音频技术，并且全球所有电视广播中超过一半的声音，几乎所有广播和流量媒体服务均基于弗劳恩霍夫编解码器。为此，弗劳恩霍夫集成电路研究所IIS的开发者共同获得价值50万马克的德国联邦总统未来奖。如今，IIS依然宝刀不老，结合“认知传感器技术”，通过认知组件扩展经典“智能”传感器的功能，正在用于网络移动性、物联网通信方案，一方面使得人类感知可以数字化，另一方面则将产品和材料监控可以在整个供应链中得以完成。这个十年结束的时候，成立了60周年的弗劳恩霍夫，已经拥有57个研究所，创造了14亿欧元的财务收入。而员工比十年前增加了50%以上，达到15000名。就在这一年，弗劳恩霍夫，做了一个激光50年的回顾。当时，为了使激光器适合德国工业应用的发展，弗劳恩霍夫的想法，备受冷落，曾被嘲笑为“为了应用而寻找发明”。然而弗劳恩霍夫的人员，坚定的认为，激光出色的性能既然可以在最小的空间内实现最大的能量集中，那么它就可以用最精密的尺寸实现最复杂的结构制造，以最简洁方式实现最艰难的工艺流程。这种前瞻性的预见，为德国的激光工艺奠定了坚实的基础。现在激光已发展成为一种通用工具，对于几乎所有材料和任务都是必不可少的工具。而全球第二大机床厂商德国通快，正是以激光切割而闻名。全球知名的增材制造商德国EOS，在激光烧结快速成型方面也是独树一帜。最典型的研究高地和研究集群中心，就是位于北威州亚琛的激光技术研究所，创新源泉一直不断，从激光器的开发，到工业应用的首个二极管泵浦多千瓦固态激光器，再到高性能超短脉冲激光器的开发，最顶级的光源生产。在过去20年中仅这一个研究所就孵化了大约30家公司。平均每三到四个星期就会创建一项专利。真是惊人的效率。 到了2019年，员工再次增加1倍，达到28000名。从成立之初重建当地经济为任务，到70周年的自我定位的再次确认，弗劳恩霍夫研究院一直强调专注于新的关键技术和市场，就像重申德国基本法一样。研究院如今已成为德国经济和欧洲最大的应用研究组织和创新引擎，通过针对德国和欧洲的战略举措，来展望未来的发展机会。 如果对比一下德国1950-2019年70年国内生产总值和弗劳恩霍夫发展历史，可以获得有意义的关联。
图3：德国GDP70年
德国国内生产总值1950-1999前50年增加34.5倍；弗劳恩霍夫研究院在这个50年内发展壮大，研究所数量增加了47倍，人数增加了90倍，研究经费增加7倍。1999-2019后20年，德国国内生产总值增加了1.67倍（基数已经很大），弗劳恩霍夫研究所数量增加了1.6倍，人数增加了3倍，研究经费增加了4倍。作为产学研一体化的国家重要机构无论是扩张规模，人数增加，还是研究经费提高，速度和程度都超过国内生产总值的增加速度。当然，影响德国经济增长有很多重要因素，但科学研究和技术开发以及在工业界的转化效率，无疑是其中最重要的原因之一。弗劳恩霍夫研究院的模式，无论是在中国，还是在美国，在世界各主要工业国家都获得了极高的评价。在日本、韩国和新加坡，也很早就开始了和弗劳恩霍夫的紧密合作。这种赞誉，是当之无愧的。弗劳恩霍夫研究院对于德国各州的经济增长，影响巨大。
图1 研究开发科技转化之对比（F=研究，E=技术开发，U=企业转化）
上图是2009年贝塔斯曼基金会对德国各联邦州研究，开发和企业对研发成果的技术转化比例条件的统计对照表(可惜最近几年的研究对照表没能找到)，排在前五名的分别是：而研究开发和企业转化条件得分高的地区，经济发展和工业水平普遍也更高。这是一个正相关的对照。
弗劳恩霍夫研究院及研究机构在德国各地分布图。一是星罗密布，覆盖全境，74家弗劳恩霍夫研究所及其分支机构，遍布全德国，弗劳恩霍夫研究所都设立在经济相对发达，工业和产业比较集中的地区和城市。
最集中超过20个研究院和分支机构的四个地区分别是：巴伐利亚州拥有42家，主要分布在慕尼黑、纽伦堡、奥古斯堡、维尔茨堡等地；北威州34家，主要分布在亚琛、波恩、多特蒙德、明斯特、帕特伯恩、比尔弗莱德等地；萨克森州拥有33家，主要分布在德累斯顿、莱比锡、开姆尼茨、哈勒等地；巴登符腾堡州23家，主要分布在斯图加特、弗莱堡、海尔布隆、曼海姆等地。研究机构最集中的城市是德累斯顿，该地区的工业优势明显。而且一个城市集中了12家研究所和研究机构。且主要集中在材料、纳米、有机电子、光电半导体、光子微系统、陶瓷、机床设备和成型技术等，从而形成了一个材料、装备、电子配套的产业集群。同时附近城市群也有德累斯顿工业大学，莱比锡大学，哥廷根大学等著名理工科院校作为科研体系支撑和人才储备供应的大本营。萨克森州首府德累斯顿（Dresden意为“河边森林的人们”）是一座古老的城市，德国十大主要城市之一，东部仅次于首都柏林的第二大城市。化工制药兴起于19世纪末，世界上最著名的药物阿司匹林就诞生于此，位于德累斯顿的萨克森血清工厂属于葛兰素史克拥有，是世界领先的疫苗生产厂家。而创新和尖端技术在德累斯顿地区发挥了极其重要作用；信息技术和纳米电子学在经济和科技领域地位举足轻重，也因此被称为“萨克森硅谷”技术中心。药品、化妆品、机器、车辆和工厂工程、食品、光学工业、服务、贸易及旅游为德累斯顿创造了巨大附加值。德累斯顿的半导体工业建立于1969年，在德累斯顿的GDP中占很大比重，德累斯顿成为“欧洲硅谷”的核心。主要企业有AMD、英飞凌、ZMD、Qimonda等，德累斯顿及其周边地区已发展成为涵盖电子和微电子领域，拥有近800家企业的产业集群，欧洲最大的微电子技术中心。巴登符腾堡州以斯图加特的制造技术和自动化IPA研究院为龙头的8家研究机构，结合能源，信息技术和移动链接解决方案应用中心，构成的研究组合，与当地强大的汽车产业集群，为上下游产业链提供了从材料，到设备工艺产线，软件系统集成，自动化和智能工厂建设规划形成技术支撑合力。德国联邦经济能源部和巴登符腾堡州经济部科技部共同投资资助,由IPA和IAO等斯图加特研究院与德国龙头企业40多家单位共建的未来工作中心：未来工作实验室“Future Work Lab”，专门向工业界产业界展示数字化工具和工业4.0最新研究成果。北威州的亚琛集合了5家研究机构：分子生物和应用生态研究院，激光技术研究院，制造技术研究院，和2家应用信息技术研究分支机构形成的生产设备和工艺硬件技术中心。量身定制的光源和组件-弗朗霍夫激光研究所ILT的科学家与德国和国际顶级研究人员一起，正在为新量子技术开发广泛的解决方案组合。德国EdgeWave公司，是高端创新激光器产品的供应商，是世界尖端技术InnoSlab技术的先驱和当今世界这个新激光技术领域的领先者。而最能体现德国电动汽车初创先锋性的企业，e.GO Mobile AG是从亚琛工大和弗朗霍夫制造技术研究所共同孵化出来的亚琛电动汽车制造企业，也是北威州乃至德国智能制造领域工业4.0工厂的典型案例，该公司成立于2015年，于2017年3月推出了e.GO Life其首个系列型号。而GrünenthalGmbH是亚琛最大的公司，拥有约5,500名员工。这家制药公司成立于1946年，主要是因为它在德国推出了青霉素药物而闻名。波恩则是人工智能的老巢，附近10家研究机构，在信息技术领域独树一帜。德国有106所综合性大学、207所应用技术大学、2455所职业专科学校，科学研究型、高技术和职业技能型等各种层级的人才培养，井然有序，分布均匀。而弗劳恩霍夫研究院始终保持和大学及高等院校的紧密合作，和大学的硬件设施协同使用，实验室和实验设备共享。这些连接与合作通过大学基础研究资源进一步完善，同时从大学获得科研人才。弗劳恩霍夫与大学的紧密合作获得一种双赢成果。大学通过与弗劳恩霍夫实践导向的培训，以及与实际应用相关的研究主题的协同配合获得其所需成果。这一合作最明显的标志就是通过研究院和大学共有教授席位，大学教授同时担任研究院院长和负责人的方式协调一致。在某些前言研究领域和年轻研究人才培养方面，弗劳恩霍夫和马克斯普朗克学会也会展开多方面合作。最与众不同的是，研究院院长通常都同时兼任大学教授，既要给大学上课，又要在研究院招收博士研究生，为大学和工业同时培养研究型人才，博士研究生学位是大学授予的。研究院招收的博士研究生，主要时间和精力要以项目为重，项目之外有时间才能开展博士研究工作和准备研究论文。当然，参与开发性研究工作，也可以作为博士研究工作的一部分。这种方式，非常容易形成应用导向的人才梯队。弗劳恩霍夫研究院的人才培养原则也充分体现产学研紧密相连的原则，工作人员要能够独立承接工业项目。而无论是国家创新研究，还是针对工业界量身定制的特定技术难题合同委托开发研究，都必须能够解决技术难题。而公共基金研发项目，则起到了这种指挥棒的作用。大学是基础学术研究和人才培养的公地，而弗劳恩霍夫研究院则通过自身直接承接工业项目的经验，把基础研究成果最高效率转化为应用技术。一种漂亮的双连发，总是精确地击中目标。德国弗劳恩霍夫研究院，会按照相同相近领域和行业，或产业上下游链条上的研究院之间建立固定联盟机构。采用研究集群网络，或者项目机制下的联合攻关小组，形成多样化的组合方式。通过分工协作的方式，各自发挥所在研究组特长。74个研究院和研究机构在德国各地开展工作。这样的话，对外与优秀研究伙伴交流，而对内，则建立了跨学科的大联盟，形成合纵联合研究机制。这一点跟美国制造创新研究院非常类似。这个后来更名为“制造业USA”的共性技术体系，最早命名就是“美国制造创新网络NNMI”，非常强调创新院之间的网络连接关系，也鼓励这些创新院，跟既有的院所、企业形成更加紧密的合作关系。研究院所有研究院和机构按照行业特征，工业门类，学科方向和研究重点组合成8个集团大军：
通过研究联盟的强大组合，承接弗劳恩霍夫前沿研究主题。通过初步研究影响有前景的新技术的开发和应用，为未来市场提供超前3-5年的技术和产品解决方案。这个时间是概率，原则是引领市场，为企业提供战略指导。这种研究院层次的分散式战略规划形式，研究小组内部的协调机制，是规划研究院研究活动的重要成功因素。因为越来越多的技术和科学上的挑战，只有通过几个学科共同努力和协同公关才能够实现。使用单一的技能，单个学科，甚至单个研究院不太可能掌握全部系统的解决方案或复杂的应用程序。很少有构造物只有一种材料组成，几乎所有产品都是由几个，几十个，几百个，几千个部件组成，如今的生产系统几乎都是依靠信息和通信技术来完成。这也正是弗劳恩霍夫研究院要提供的独特战略所在：必要时，研究院各项核心竞争力能够快速高效地汇集在同一屋檐下，协同攻关，一种在弗劳恩霍夫前沿主题范围内进一步发展的集团军力量，能够充分展示内部协同效应。弗劳恩霍夫分析宏观趋势，并确定将在迎接未来挑战中扮演着特别重要角色的研究领域，如气候变化，正在减少的资源和预防保健领域。弗劳恩霍夫打算为这些解决方案做出积极的贡献，提供前沿主题，在初步研究中投入它自己的资源并连接它的分散式的研究攻关技能以便促进行业的对接。在推行这些前沿主题的同时，弗劳恩霍夫正在加强其作为在德国的应用研究驱动器的作用。它也正在提高其工业的研究和发展的吸引力，在未来的市场中打通新的商业机遇。作为重要的八大支柱之一，“材料-组件”联盟整合了弗劳恩霍夫研究院所有以材料科学为导向的研究院综合能力。材料科学和工程涵盖了整个生产价值链：从新材料开发，现有材料和材料的改进，到准工业规模的适配制造工艺，特性表征和使用实践评估。材料联盟共有19个研究所：这些联盟会形成广泛的合作，在实验室，中试工厂，以及中试工厂进行实验研究之外，还优先使用数据模拟和建模方法，使之适用于所有规模，从分子到组件再到复杂系统和过程仿真。这是一种惊人的生态，为了为工业开发一种新材料，从材料制备工业，到使用材料的零部件，到生产工艺，以及质量控制参数等全部过程，都可以联合完成。这得益于在弗劳恩霍夫材料网络涵盖了由可再生原材料以及半导体材料制成的金属等所有范围。近年来，混合材料和复合材料越发重要，研究院就会通过战略预览来支持未来材料和技术的研究和开发。如汽车在汽车轻量化制造，利用碳纤维合成新材料制造轮毂、车桥、发动机复杂部件等，从碳纤维制备、新型合成材料制备、生产设备设计和工艺设定，到部件组件制造过程，质量测试，到成品装配到整车上的质量和安全测试全部过程，在联盟各个研究所配合下及委托企业的参与全部完成。
图6 2016材料联盟的11个机构
（当时生产联盟 7个研究院，3个研究机构和一个中心的分布图）通过联邦和州政府制度性的研究经费的支持，弗劳恩霍夫也开展战略研究项目。目前，弗劳恩霍夫不仅遍布全德国，在北美，南美，欧洲，亚洲等国设立的代表处，使其当今和未来科学和经济领域在世界各地都有了窗口。合同制研究70%来自于工业项目委托，应用技术研究目标是直接为客户创造价值。德国的研究与创新应用，给全世界留下了深刻的印象。根据德国科学教育部BMBF《2018年研究和创新报告》，2016年全世界最多引用的科学出版物12.2%来自德国；2015年每百万居民世界市场相关专利登记371个是在德国；2016年产品创新为德国经济贡献了7190亿欧元销售额；2016年全球与深度研究开发的产品11.6%来自德国。工业支撑，沁入骨髓。弗劳恩霍夫各个研究院的研究项目，几乎涵盖了所有工业门类的所有细分领域。每个研究所和每个联盟，研究集群都有细分领域的项目，数百数千个。很多都是跨学科跨行业跨研究机构的合作项目，就像排列组合一样。犹如工业的毛细血管，技术深入骨髓，到处流通。对于工业的技术能量供给和输送犹如为工业母体输送血液。而且始终要求保持动态的生机勃勃的生长。这一条件的满足来自于弗劳恩霍夫著名的运营原则，即所有研究和开发项目约70%要直接来源于工业。2019年弗朗霍夫研究院通过参与联邦科教部共同推进高科技论坛以及创新对话，为保证和促进可持续发展战略和2025高科技战略目标的实现。德国2018年达到173亿欧元的投入，2019年183亿欧元。至2025年对科学研究和科技开发的投入要达到和实现国内生产总值的3.5%的目标。这样的运营模式敦促研究人员始终和市场保持同步，不仅要解决企业在市场上遇到的技术难题，同时也要引领企业超前布局，抢占市场和技术高地。这些举措，无论从技术积累和保障，通过持续不断创新提升和保持竞争力，对于德国的中小企业始终是强心剂，对大企业也是巨大帮助。尽管大企业都会拥有强大的研发部门，但是任何大企业也无法保证在所有科技领域开展研究。为了解决自身研发部不能解决的技术难题，也始终会和研究机构，尤其是如弗劳恩霍夫研究院这种应用技术导向的机构进行协同攻关。大企业再大，也无法做到像研究院这样无孔不入，也很难做到深度探索。高精尖技术的研发，需要协同攻关，发挥研究集群的整体实力。无论是公共研究项目还是工业项目，运营收入又会大量反馈反哺投入到新一轮的研究开发领域中。例如通过专利许可费，技术转让，孵化企业退出机制等获得的收益，成为研究院自身投入新的研发项目的资金支持。由于各个研究院，走在工业前沿技术开发，其创新速度和转化效率非常高。无论是来源于政府和非营利等研究基金的公共委托研发项目，还是工业委托项目，在提供技术解决方案的过程中都会产生大量专利技术、创新产品。研究院本身设立有创新孵化基金，加之政府公共孵化基金，以及私募孵化投资基金的支持，专利和科技创新多数都能够第一时间在研究院孵化成立公司，从孵化器到急速工厂逐步走向市场，形成一股良好科技孵化机制。例如激光技术研究院20年之间孵化出30多家公司，而生产制造和自动化研究院IPA仅仅在2017-2019三年，就孵化了20多家创新公司。尽管研究院也是非营利机构，但以上成果也是应用基础科研机构本身的价值所在。如何确定主题方向？弗劳恩霍夫专注于具有市场引领和重大战略技术储备的前沿课题研究。主要来自三个方面，研究院本身每年都会根据全球技术发展状况提出的挑战，规划技术路线，制定战略研究方向；同时，也有欧盟，德国联邦政府和地方政府根据产业前沿提出的研究任务委托。而最重要，当然还是来自于工业和市场领域提出的深度技术挑战。弗劳恩霍夫研究院作为一家应用技术为主的科研机构，其组织结构和运营模式鼓励工业企业和研究部门紧密合作，构建了产学研金三角的全生态，成为产业集群的高效粘合剂。跨学科、跨行业、跨地域的细分研究机构，加上灵活地交叉组织、集群攻关，形成了协同作战的合力优势。
来源：知识自动化 (编辑：张老师)
