颠覆性技术知识体系库内容

1. 颠覆性技术的概念

1.1 颠覆性技术的概念起源

“颠覆性技术”这一概念最初可溯源于经济学家熊彼特(1912)的“创造性破坏”(creative destruction),他在《经济发展理论》中指出,依靠“创造性破坏”可实现淘汰旧的技术和生产体系,并建立起新的生产体系,这是颠覆性技术最早的思想萌芽。

1995年,美国哈佛商学院教授克莱顿·克里斯坦森(Clayton M. Christensen,统称为克里斯坦森)在《颠覆性技术的机遇浪潮》一书中,首先提出“颠覆性技术”(Disruptive Technology)的概念。他指出“颠覆性技术”是一种另辟蹊径、对已有传统或主流技术途径产生颠覆性效果的技术,可能是全创的新技术,也可能是基于现有技术的跨学科、跨领域的创新应用。颠覆性技术打破了传统技术的思维和发展路线,是对传统技术的跨越式发展。

在这基础上,克里斯坦森于1997年又出版了《创新者的困境》一书,在书中他首先提出了存在两种创新,即“持续性创新”(Sustaining Innovation)和“颠覆性创新”(Disruptive Innovation)。“持续性创新”是企业沿着既有技术和产品的改进轨迹逐步向前推进;“颠覆性创新”则是创造与现有技术完全不同的新技术,创造更为简单、更加便捷与更廉价的产品。与原有技术发展逻辑不同,超出原有技术路线,并且对原有技术有不可逆替代作用的技术称作“颠覆性技术”,也就是说“颠覆性技术”(Disruptive Technology)是一种颠覆了某一行业主流产品和市场格局的技术

2003年,克里斯坦森和雷诺对颠覆性创新理论进行了拓展,并且把颠覆性创新分为低端颠覆性创新和新市场颠覆性创新。低端颠覆性创新是指低价格、低主要性能的创新,对于低端颠覆性创新,价格低廉,由小而大,积累实力,由下而上侵入,如温水煮青蛙一样的完成替代。对于新市场颠覆性创新,按照效用理论,主要性能发展过头,效用下降,辅助性能不断提升,效用上升,从而发生效用的替代,主流市场顾客转入颠覆性创新市场,进而发生竞争基础或者范式的改变。克里斯坦森的理论引起了轰动,成为国内外创新和战略管理研究的前沿热点。

目前,颠覆性技术概念尚未形成统一的认识和理解,一般认为颠覆性技术的创新过程与持续性技术有着明显不同,是突发式的、跳跃的变化过程,而且这种变化对产品、科学技术、产业等各个领域将会带来更大的效应,将远远超越渐进性创新的影响。

1.2 颠覆性技术概念的演化

颠覆性技术概念演进分为四个阶段,即:概念萌芽期、概念形成期、概念完善期和概念扩展期,见图1

1 颠覆性技术思想演化历程

1)概念萌芽期(20世纪20年代—20世纪80年代)

颠覆性技术概念在萌发时期,受到来自理论研究与用户实践两方面力量的共同作用。创新理论的始祖熊彼特(Schumpeter)于1912年提出了创新的概念,很多学者认为这一概念的提出可以作为颠覆性技术概念的最初形态。在学术研究基础上,国防与科学领域最早将颠覆性技术的思想应用于实践。1958年美国国防高级研究计划局(DARPA)以制造与防范技术突袭为目标,提出突破性技术(breakthrough technology)的概念,并将技术突破性、效果颠覆性和研发高风险等理念应用于研发活动中。随着库恩范式提出常规科学与革命性突破的差别,“创新性研究”悄然兴起,美国国家科学基金会在1967年科学研究范畴最早形成的评议标准认为,“被提议的研究要么开启了一个新的领域,要么开发了一项新的技术,要么对现有的理论或认识提供了一个重要的检验”。

颠覆性技术的概念首先起源于市场与经济领域,用于解释创造性的破坏与经济的周期性循环,其思想的孕育过程与军事、科学研究领域的应用密切相关,从用户角度提出了不同的认识,军事领域高度关注新技术制造并防范技术突袭的效果,科学研究关注非线性突破带来科学范式的转换。萌芽期的发展经历了创造性——破坏性——突破性的理论发展过程,为颠覆性技术概念的产生提供了丰富的思想基础。

2)概念形成期(20世纪90年代)

在“创新”概念的基础上,同时结合“突破性”和“变革性”概念,“颠覆性”这一思想认识逐渐形成,它的基本思想起源于克里斯坦森阐述的颠覆性技术,主要包含了5层意思:创新性、低端性、加速成长性、侵蚀性和颠覆性。随着时间的推移,颠覆性技术这一概念不再仅局限于技术,克里斯坦森认为颠覆性创新同样可应用于描述产品和商业模式的创新范式。这一概念最初起源于商业领域,后续越来越多的研究学者和机构开始关注这一领域,并不断地丰富和发展这一概念内容,使其成为当前产业、商业、技术、军事等领域的通用概念。

3)概念完善期(1997年—2005年)

此阶段学者们在颠覆性技术、破坏性技术、突破性技术三个概念中进行了多角度研究,深入到颠覆性创新的各个应用领域中去寻找概念实质,既有对商业领域中产品性能和产品成本的关注,也有商业、服务领域中对开拓性产品和主流市场的关注;同时还有对商业模式的关注。

这一时期颠覆性技术概念总的特点是:在理论研究上,学者们对“颠覆性技术”的内涵认识逐渐趋于一致,认为这种技术主要来源于市场、产业的竞争,并由此带来新的产品或市场模式,并将研究视野从商业扩展到了产品、产业、商业和服务领域,关注到产品技术本身和性能的优化,也关注到商业模式的重大改变,但整体上仍然建立在市场引导下的自由竞争环境激发带来的变化,对技术的关注也局限于商业产品的技术细节。此外,国内对“颠覆性技术”这一概念并未在翻译上趋于一致,因此“颠覆性技术”、“破坏性技术”、“突破性技术”等概念并存。整体而言,这一阶段的研究更加深入,对概念内涵的认识也更为理性和科学。与此同时,学者们开始关注颠覆性技术创新的结构和过程,包括颠覆性技术成长过程的动力学机制、影响因素与创新障碍,以及技术、产品、组织、市场、环境之间的多重关系。

4)概念扩展期(2005年—至今)

这一时期,最大的变化就是学者们对“颠覆性技术”概念有了更深入地认识和理解,从商业模式的概念发展到技术领域的概念,使研究范围扩大到国防、军事、工程应用、航空等科学技术领域。

在科学技术领域,2004年“变革性研究”概念正式提出,2007年《NSF加强支持变革性研究》界定了“变革性研究”的概念,形成了“有潜力彻底改变对现有科学或者工程概念的想法,创造研究新范式或科学(或工程)的新领域”的思想。在国防军事领域,美国国防研究与工程署规划计划主任AlanR.Shaffer2005年《颠覆性技术:不确定的未来》的报告中指出:“颠覆性技术是从既定的系统和技术体系中“衍生”、“进化”出新的主导性技术,取代已有技术,使军事力量结构、基础以及能力平衡发生根本性变革。” 2007年,美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects AgencyRICHARD博士在一篇报告《能源研究与DARPA模式》(《ENERGY RESEARCH AND THE DARPA MODEL”》)中阐述DARPA模式时指出:“DARPA主要的使命是为美国军队创造‘变革性’的先进系统和技术。DARPA鼓励项目经理挑战现有战斗方法并寻求结果,而不仅仅是探索想法。因此,DARPA主要用于展示他们所谓的‘颠覆性能力’,颠覆性技术是改变游戏规则的前沿技术,在未来战争中创造决定性的颠覆效果。”

相关概念的正式形成,标志着颠覆性技术思想在科学与国防的应用实践获得了理论的升华,并推动“颠覆性技术”概念跳出了商业领域中破坏现有市场领导者地位的理解,在国防军事领域就是彻底的技术变革、能力变革,军事格局的变革,在科学技术领域是改变现有科学或工程概念,挑战传统科学范式并可能改变游戏规则。进一步来看,这两个领域处于国家战略关口,其关注的“颠覆性技术”不一定强调竞争情境,更强调技术的突破性、效果的变革性。这一理念的提出使颠覆性创新研究脱离了市场自由竞争的范畴而上升到国家科学技术、国防尖端领域发展的角度,从而逐步向国家战略引领的高度发展。

1.3 颠覆性技术的国家视角内涵

“颠覆性技术”成为快速改变某领域模式或格局的技术的统称,其认识已跳出商业领域中低端切入破坏在位者市场地位的原义范畴,其应用从市场竞争领域扩展到国防和国家科学技术发展领域,并逐步向国家战略引领的高度发展。立足“全局、长远、重点、基础”的国家视角,颠覆性技术的概念框架已不再局限于快速改变某领域模式或格局的效果定义,而是扩展为基于国家战略视野驱动的颠覆性创新范式,将国家、产业、企业等不同层面不同主体的颠覆性技术创新发展纳入全局,给予长距视野、全域空间的重点突破和体系供给。

在重点突破上,颠覆性技术的国家视角,重点关注颠覆性技术及其创新在“技术突破、全局需求、作用广泛、前沿引领”的战略价值,即:①颠覆性技术要引领我国科技经济整体突破(能力的变革性),②颠覆性技术的应用需求是关系全局的行业及社会公共消费(问题或需求的导向性),③颠覆性技术的颠覆范围是国家全局性或区域性的产业体系、社会技术经济范式变革(作用的广泛性),④颠覆性技术创新的根本动力产生于前沿探索和基础科学领域的率先突破(前沿的引领性)。

在体系供给上,颠覆性技术的国家视角,是对全域时空下创新链、创新生态的形成与运行过程中需要国家给予公共品配置或引导、弥补的系统失灵、市场失灵环节,体现为四个层次:①面向科学技术的新原理、新应用、新组合,识别和培育可能引发体系、范式变革的重大颠覆性技术,实现技术供给;②面向国家及社会公共消费的重大战略需求,开展颠覆性创新重大装备工程研制生产,实现公共产品供给;③面向颠覆性创新的公共消费或竞争性孵化应用需求,营造市场环境,实现环境供给;④面向颠覆性创新的引致风险,提供应对举措,实现治理供给。

2. 颠覆性技术的相关概念

随着技术、组织和市场的不断演化,创新理论研究越来越引起技术创新学派的重视,如从技术创新强度的视角出发,出现了渐进性技术创新(incremental technology innovation)、突破性技术创新(breakthrough technology innovation)、根本性创新(Radical innovation)和新兴技术(Emerging technology)等概念。渐进性技术(1990)是指能实现持续的不断发生的局部或增量式创新活动的技术,其创新活动更多强调对现有技术和商业模式的利用。突破性技术不是现有改良技术而是用全新技术替代旧有技术产生新的应用、市场或产业。根本性创新(1982)是指建立在一整套崭新的科学和工程原理之上,产品性能发生非线性、大幅度和不连续跃迁的创新。新兴技术(1990)则是指“建立在科学基础上的、或来源于集成创新及消化吸收再创新的二次创新上的,可能创立一个新行业或改变某个老行业的创新性技术”。

从技术的突破与变革视角出发,颠覆性技术与根本性创新或突破性技术、新兴技术等创新概念之间既有相通和相互覆盖的地方,也有一定的区别。如表1所示。

1 颠覆性技术及相关概念的区别和联系

对比

颠覆性技术

渐进性技术

突破性技术

新兴技术

概念

另辟蹊径,会对已有传统或主流技术途径产生颠覆性效果的技术

沿着原有技术路线(轨道)发展,利用现有基础和商业模式的技术

在原有技术水平上有巨大跃迁,其技术水平和市场程度都变化较大

当代各领域内的先进和发明技术,创造更有效率的新技术

特点

能力破坏型不连续创新

能力维持型连续创新

能力跃迁型不连续创新

能力提升型不连续创新

实现

方式

需要新技术能力与应用模式创新

利用现有技术能力

利用现有技术能力

需要新技术能力与商业模式

实例

互联网技术、数码照相技术

不断优化的机械加工技术、不断优化的集成电路设计技术

语音识别技术、数字信号

信息技术、纳米技术、生物技术

“颠覆性技术”、“颠覆性创新”及“颠覆性技术创新”三者既有联系也有区别:①颠覆性技术强调技术本身对原有技术的替代性、技术轨迹的跃迁性,是颠覆了某一行业主流产品和市场格局的创新型技术;②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,它倾向于把“颠覆性”与经济概念联系起来,对颠覆性创新的阐释多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;③颠覆性技术创新强调由颠覆性技术本身在创新过程中通过对原有技术的替代实现市场破坏和产业、经济社会的变革,强调技术创新过程的实现带来颠覆性影响;④颠覆性技术可以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;颠覆性技术是驱动和实现颠覆性技术创新的物种和本源。因此,“颠覆性技术”是三个概念的基础和载体,重点在于对技术要素的认识和解决关键技术问题。“颠覆性创新”重点在于经济价值上的破坏性创新,“颠覆性技术创新”重点在于技术创新的实现。

3. 颠覆性技术发展态势及重要方向

3.1 世界颠覆性技术的发展态势

当前,颠覆性技术创新带来的大变革,正在重塑世界格局、创造人类未来,成为人类追求更健康、更美好的生活的重要保障,为我国大变强实现民族复兴创造千载难逢的历史机遇,对支撑中国实现2035战略目标有重大意义。从世界颠覆性技术的发展态势来看,主要呈现如下发展特征:

1)从技术层面来看,当前颠覆性技术创新呈现了新趋势、新特征

一是范围广。当前新兴颠覆性技术在信息电子、材料制造、能源环境、生物医药等领域密集涌现,并且不断融合汇聚,向传统领域渗透扩张。深入影响到经济社会、军事国防的各个方面,范围十分广泛。 二是影响深。本轮颠覆性技术变革的深刻影响对人自身的改造。随着基因技术、人机融合等技术的发展,人机耦合、人机融合,甚至对人直接改造逐步成为现实,人与机器、人与自然的界限逐步被打破。改变人本身、人与人、人与自然、人与社会的关系,将给经济运行、社会管理、军事斗争带来全方位的改变,带来前所未有的道德伦理、社会治理的挑战。三是速度快。颠覆性变革的速度越来越快,“创新加速”的趋势显著,科技风险、负面效应传导扩散的速度越来越快、范围越来越广,带来诸多全球性挑战,对科技治理能力、方式都提出了新的、更高的要求。四是结构复杂。随着科研工具日益数字化、智能化,研发手段逐步虚拟化、网络化发展,当前科技创新活动日益大众化,创新主体更加多元,创新要素流动全球化,创新生态空前繁荣,在为经济社会注入活力的同时,给科技风险的预防、监管提出新的挑战。

2)从领域层面来看,当前颠覆性技术集中爆发在四大领域

通过分析近年来欧美科技强国的政府机构、智库、咨询公司、高校、知名专家公开发布的数十份颠覆性技术的预测报告,统计出了重合度最高的十大技术方向 ,这十大技术方向集中分布在信息电子领域、材料制造领域、能源环境领域和生物医药领域。

信息电子领域:信息与电子工程领域是当前全球创新最活跃、带动性最强的领域,信息技术的广泛渗透正在加速推进其他领域的工程科技发展,信息技术与产业的水平成为一个国家现代科学技术发展水平的重要标志。信息科技中的量子信息、人工智能、虚拟现实和移动互联网是最有可能产生颠覆性创新的领域,并且四者联系紧密,共生共荣。

材料制造领域:以机械制造为代表的先进制造技术,是现代企业竞争力的重要决定因素,对一个国家的技术经济发展起着至关重要的作用,深刻影响着我国实现社会主义现代化和民族复兴的进程;材料工程是制造业的基础,材料创新往往对颠覆性技术革命产生重要影响。

能源环境领域:能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础,发展清洁、低排放的新能源和可再生能源是全球能源转型的大趋势,以非常规油气勘探开采技术、可再生能源、清洁能源和能量储能技术为代表的颠覆性能源技术,正在并将持续改变世界能源格局。生态环境安全是国家安全的重要组成部分,是经济社会持续健康发展的重要保障,节能减排是全人类的共识,未来,以大气CO2及主要污染组分多元原位固化/转化技术、循环自给型污水净化智慧工厂以及多领域融合的环境监测监管技术将是生态安全领域中颠覆性技术的集中爆发点。

生物医药领域:生命科学和医学健康是目前发展最迅速、创新最活跃、影响最深远的科技创新领域之一,已经成为新一轮科技革命的引领性力量。同时,卫生与健康科技创新水平是衡量一个国家科技创新水平的重要标志,也是影响国家综合国力和人类社会生活方式的重大民生问题。以精准医疗、下一代基因组学、合成生物技术为代表的生物医药科技前沿领域正在逐步实现多点突破,这些突破可能引发形成新理论、建立新方法、变革诊疗手段。

4)从国家层面来看,美国是颠覆性技术领域的领导者

作为全球科技中心和经济中心,美国对颠覆性技术的布局几乎是全方位的,已公布的颠覆性技术清单材料涉及人工智能、高端制造、先进原材料及重要设备等,美国对颠覆性技术的重视程度可见一斑,其意图旨在继续引领全球科技发展,提振美国经济,保持美国军事力量的绝对领先。

日本、韩国、澳大利亚、德国等其他世界科技强国也共同认识到颠覆性技术对国家发展、产业竞争的极大推动作用,纷纷在人工智能和先进制造等领域布局,颠覆性技术在全世界范围内呈现“百家争鸣”、“百花齐放”蓬勃发展的局面。日本颠覆性技术创新计划(ImPACT)则将更多的关注:高分子材料、泛用型电子激光器、终极节能通讯设备、病(老年)人行动辅助系统、机器人、传感系统、大脑信息控制技术、人工细胞反应堆和超大数据平台等。韩国第五次技术预测活动重点支持了24项技术,涵盖了无人机、智能工厂、3D打印、智能电网、高性能碳纤维、稀有金属循环利用、多晶硅半导体虚拟现实、智能机器人、量子计算、无人驾驶汽车、人造器官等。澳大利亚国家创新及科学计划重点支持人工智能、自动化、大数据、区块链、网络安全、沉浸式拟真、物联网和系统集成等技术。最近成立的德国网络安全和关键技术的颠覆性创新机构(ADIC)则聚焦于网络和电子技术、人工智能。

4)从商业层面来看,商业机构成为颠覆性技术创新的主力军,对世界经济社会结构影响深刻

商业领域,一些科技企业和咨询公司以及知名杂志做出了未来技术预测。GoogleIT领域颠覆性技术进行了预测,共有八项颠覆性技术,每一项技术都与日常生活密切相关:安卓车载、智能穿戴、智能家居、邮箱支付、Pony Express项目、Inbox应用、纸板VR、模块手机。《Nature2018年发布了将会对生命科学领域产生重大影响技术,涵盖了基因组重编码、转录组图谱绘制、肿瘤疫苗等。《科学美国人》2018年预测了十大新兴技术,分别是增强现实(AR)、个性化定制的医疗诊断工具、AI辅助化学分子设计、植入式制药细胞、人造肉、电刺激医学、基因驱动、等离子体材料、量子计算机算法。CB Insights总结出了2017年影响世界的十大颠覆性领域,涵盖了:神经技术、再生医学、自动化建筑、智能公共安全、合成农业、火箭发射器、AI芯片、大规模仿真、合成动物产品和极端物流。《埃森哲技术展望2018》发布了未来三年内或将对各行各业产生重大影响的技术趋势判断,分别是公民AI技术、泛现实技术、实现数据智能技术、构建支持规模化伙伴关系的架构技术和智联网技术。可以发现,商业领域几乎都是基于大数据和人工智能展开的一系列新技术,人工智能已经开始融入生活的方方面面,未来将会革新现有的生活方式。

5)从智库层面来看,颠覆性技术的预测研究已成为热点

以咨询公司、科技杂志及学术论坛为主的智库数量相对较多,部分影响力较大,如美国国家情报委员会、美国麦肯锡全球研究院、世界经济论坛等。这些智库经常发布相关预测报告用于指导相关行业的发展,不仅提高了自身在相关领域的影响力,也促进自身相关业务的发展;它们发布的颠覆性技术预测清单不仅会影响全球科技方向的发展,也会影响各国政府、各类行业/企业在科技研发、科技投入上的布局。

3.2 国外智库预测的颠覆性技术清单

近几年,国外智库陆续发布了一系列颠覆性技术清单,见表2所示。

2 国外智库预测的颠覆性技术

智库名称

颠覆性技术清单

美国国家情报委员会

信息技术

生物和健康技术

能源技术

气候干预技术

先进材料和制造技术

空间技术

美国陆军未来侦察战略与分析公司

物联网

机器人与自动化系统

智能手机与云端计算

智能城市

量子计算

混合现实

数据分析

人类增强

网络安全

社交网络

先进数码设备

先进材料

太空科技

合成生物科技

增材制造

医学

能源

新型武器

食物与淡水科技

对抗全球气候变化

麦肯锡

移动互联网

知识工作自动化

物联网

先进机器人

自动汽车

下一代基因组

储能技术

3D打印

先进材料

先进油气勘探开采

可再生能源——太阳能与风能

兰德公司

纳米技术

雷达

网络战

新材料

无人系统

混合/替代能源

电光系统

仿真技术

3D打印

人机交互

引擎技术

电子监视

定向能武器

地理空间情报

精确制导武器

动能武器

3.3 面向2035的中国工程科技颠覆性技术方向

按照2035中国愿景对颠覆性技术发展的六大需求,中国工程院遴选出表3所示的颠覆性技术重点方向。

3 面向2035的工程科技重大颠覆性技术方向

技术需求分类

颠覆性技术清单

开拓科学疆域,抢占战略制高点

量子信息技术

人工智能

移动互联网技术

基因编辑技术

合成生物学技术

石墨烯

超材料

解决重大战略需求,支撑经济社会快速发展

智能高铁

低真空管道磁悬浮铁路技术

富自然功能协调流域建设技术

水利水电工程群多目标联合调度技术

智能无人飞行器技术

可燃冰开采技术

突破关键瓶颈,维护经济安全

浆态床渣油加氢转化技术

甲烷直接制烯烃和芳烃技术

C(废钢)时代的新型电炉技术

有色金属连续挤压技术

无轴轮缘推进系统技术

家畜干细胞育种技术

能源作物分子和基因调控育种技术

零添加集约型高品质饮用水“膜法”处理工艺

盐碱地种植关键技术

促进产业转型升级,转变发展方式

可再生智能纺织品3D打印

新型生物智造

微系统技术(MEMS

基于BIM的智慧建造技术

工业化建造

3D打印建造技术

循环自给型污水净化智慧工厂

满足美好生活需求,保障社会健康发展

肿瘤免疫治疗

人造病毒疫苗

大气CO2及主要污染组分多元原位固化/转化技术

基于“车联网+大数据”的柴油车远程在线智能管控技术

基于光谱/卫星的区域/生态环境要素高分辨遥测/遥感技术

基于大数据融合的多介质环境与生态系统感知技术

基于RNA干扰技术的基因农药

生物质油、生物天然气联产工程技术

医学人工智能

4. 颠覆性技术的内在特征及发展规律

作为改变人类生产、生活、作战方式,推动产业变革及军事变革的根本性力量,颠覆性技术贯穿于人类历史,与人类文明的进化相伴而生,在长期发展演化中形成了鲜明的特征和独特的规律。当前,众多学者从各自研究对象出发,总结了颠覆性技术具有替代性、破坏性、变革性、不确定性等诸多特征。中国工程院从科学技术史(宏观)、案例研究(微观)两个维度,深入到颠覆性技术创新的结构、过程中,研究颠覆性技术的内在特征和发展规律,形成了以下认识。

1)颠覆性技术的产生有三个重要途径

颠覆性技术产生于三个重要的来源方向。一是基于科学原理重大突破或重大集成创新产生颠覆性技术,该类型技术一旦出现会得到广泛共识,快速向各个领域渗透、融合,往往会产生定义时代的重大颠覆性技术。这类技术很重要,但数量不多。二是技术的颠覆性应用形成颠覆性技术。传统技术跨学科、跨领域或非常规的应用,往往会在应用领域产生颠覆性的效果,形成颠覆性技术。随着社会进入“技术爆炸”时代和以大数据为代表的新型科研范式的出现,这类技术越来越多,涉及的范围越来越广、过程越来越复杂、速度越来越快,如互联网平台技术。三是以颠覆性思路解决问题催生颠覆性技术(问题导向)。这种方式在当前商业创新中盛行,如SpaceX 的可回收火箭以有悖常理的思路去实现现有功能,获得了巨大成功,催生新的颠覆性技术。该理念也带动“先开发、再研究”创新模式的兴起。对该类技术,大多数人经历“看不上、看不懂、来不及”过程,对其带来的冲击措手不及。

2)颠覆性技术具有复杂的内在结构

颠覆性技术是一个技术群,具有复杂的内在结构。从空间角度来看,颠覆性技术包含了主导技术、辅助技术、支撑技术的复杂技术群,跨多学科、多领域。通常这些技术不是齐头并进的,发育成熟期不同步,任何技术都能制约或助推颠覆性技术发展。同时,这些技术几乎不属于同一主体,甚至同一地区、同一国家,注定颠覆性技术创新要伴随大量的技术转移、技术集成和二次创新,是复杂的过程,孕育巨大机遇。

从时间角度来看,和其他技术一样,颠覆性技术的成长也历经实验室技术、中间试验技术、工程化技术、商业应用技术等阶段。这个过程十分漫长,并伴随技术主体的转移、变换,还面临原有维持性技术激烈的技术竞争和商业竞争。在此过程中新原理的发现与传播(科学突破)、新技术的发明与分叉(技术分叉)、新产业产生与锁定(产业锁定)等转折点的识别与把握具有重大的战略意义。由于颠覆性技术结构和过程的复杂,几乎没有技术发明者实现最终颠覆。

3)颠覆性技术创新兼具技术和管理两大冲突

作为能使传统行业“投资、产业、技术、人才、规则”归零的革命性力量,颠覆性技术不是单纯的技术本身,而蕴含了管理和技术两大冲突。

一是技术体系冲突。作为新生革命性技术(变轨技术),颠覆性技术往往与现有的配套技术体系、产业体系、甚至商业基础、商业模式不适应,在它成长过程中和现有技术体系存在巨大冲突。一方面在现有体系内很难得到发展的支撑;另一方面随着其发展壮大将改变、颠覆甚至归零现有体系。因此,新技术成长挑战多、周期长、风险大,考验决策。正是由于过程的风险和不确定性,给后发者提供了战略性机遇。

二是管理体系冲突。旧的管理体系是阻碍甚至排斥颠覆性技术发展。管理是与管理对象相匹配的,组织现有的管理理念、价值观、资源、流程往往不适应颠覆性技术的发展。面对颠覆性技术变革,在原有轨道上越优秀、管理越好的企业失败的越快。在人才、技术、资金各方面占优的行业巨头,往往是颠覆性变革的失败者。如柯达“发明了数码相机,却被数码相机颠覆。”当前面对颠覆性创新,无论国家、行业巨头都选择现有体系之外设置新的管理架构。

4)颠覆性技术具有演化阶段之分时间尺度明显

颠覆性技术的颠覆并非一蹴而就,而是一个长期演进的过程,具有时间尺度的特征,需要经历酝酿期、萌芽期、潜伏期、形成期、成长期、成熟期等阶段,既符合创新生命周期的一般规律,在演化特性上也具有不连续非线性阶跃成长和长期孕育阶段爆发的特点。颠覆性技术创新的过程通过若干次核心技术的重大突破引爆市场,驱动产业沿着利基产品(利基市场)—中间产品(中间市场)—主流产品(主流市场)路径跃迁,存在明显的阶段爆发点。颠覆性技术的影响范围具有层次性。按照创新变革强度可分三类创新类型,颠覆范围的不同形成了大颠覆、小颠覆的层次性。由大及小依次递推,技术经济范式变革是指对军事、经济、科技、社会宏观结构与运行模式产生颠覆性的影响,产业体系变革是指对某产业或领域的技术体系结构与运行模式产生重构替代旧有技术体系,技术变革是指在产品/工艺技术层次的突破性变革从而取代传统技术。

5. 颠覆性技术预测识别方法研究进展

5.1 主要的研究机构

20 世纪90 年代颠覆性技术的概念被提出以来,潜在颠覆性技术的识别方法成为探讨的热点,国内外很多机构都在积极开展颠覆性技术的识别和研究工作,形成了一系列的研究成果。表4列出了国内外开展颠覆性技术预测识别的主要机构及其开展的工作和成果情况,这些机构有的是直接从事颠覆性技术研发的科研机构,有的是进行颠覆性技术战略研究的咨询机构,它们都在逐渐形成自身发展所需要的一套颠覆性技术预测、识别的经验、方法或流程体系。

4 颠覆性技术预测识别主要机构及成果

序号

国家

机构

开展情况/成果

备注

1

美国

DARPA

从顶层制定科技规划,支持能各种高风险、高回报技术研发,取得了许多重大创新成就。

颠覆性技术研究机构

2

美国

国防情报局技术预测和审查委员会Committee on Defense Intelligence Agency Technology Forecasts and Reviews

全面搜集潜在对手的技术发展情况,以分析其可能给美国造成的军事威胁。

情报咨询机构

3

美国

美国国家研究理事会(NRC)下的未来颠覆性技术预测委员会Committee for Forecasting Future Disruptive Technologies

20092010年连续出版了系列研究报告《颠覆性技术的持续预测》。

颠覆性技术预测研究机构

4

美国

颠覆性技术办公室(Disruptive Technology Office

是美国情报界的一个资助机构,在2007DTO被并入新成立的IARPA。负责资助DARPA的一些项目,评估提案和资金研究,重点在数据挖掘、视频处理和量子计算领域。

颠覆性技术评估机构

5

美国

美国空军研究委员会(Air Force Studies Board

开展与空军科技发展和应用有关的各种计划活动。这些活动包括召集领先的专家参加共识研究。

颠覆性技术预测研究机构

6

美国

国防工业协会(National Defense Industrial Association (NDIA)

不定期召开颠覆性技术年会

会议主办方

7

美国

美国国家情报委员会(National Intelligence Council

发布了《全球趋势2025》和《全球趋势2030

颠覆性技术预测研究机构

8

美国

麦肯锡

《颠覆性技术:改变生活、商业和全球经济的先进技术》、《12 项引领全球经济变革的颠覆性技术》

情报咨询机构

9

俄罗斯

国防高级研究基金会(Foundation for Advanced Research Projects

捕获包括颠覆性技术在内的新兴前沿技术

颠覆性技术研究机构

10

英国

知识产权局专利信息团队

开发了具有颠覆性技术预测功能的原型工具

情报咨询机构

5.2 主要的研究方法

国内外研究机构提出的各类颠覆性技术预测识别方法都有各自的理论基础和考虑角度,但基本思想仍然是基于定量分析、定性分析以及定量与定性分析相结合的基础理论,再结合颠覆性技术本身的特征发展形成的,如表5所示。

5 国内外颠覆性技术预测识别方法汇总分析表

序号

方法

基本原理

应用场景

实际可操作性

备注

1

专利影响因子指标法

专利引用率

适用于颠覆性技术趋于成熟发展中期及以上阶段

易于实施

定量分析

2

专利语义分析法

基于技术属性矩阵及SOM算法

适用于技术发展逐步清晰,关键技术解决后的中后期阶段

实施难度中等

定量分析

3

指标评价体系法

定性遴选并建立指标评价体系,再对进行定量分析

适用于技术发展较为清晰的整个技术阶段。

实施难度较高

定量与定性相结合

4

基于技术预警的筛选方法

按照技术预警的收集、筛选(screening)、评价、决策(deciding) 的思路构建综合分析方法

可用于颠覆性技术初期及整个技术发展阶段。

实施难度较高

定量与定性相结合

5

文献关联法

通过数学模型来分析颠覆性技术成熟度并以技术路线图展示结果

可用于颠覆性技术初期及整个技术发展阶段。

实施难度较高

定量分析

6

专利或科学论文发现法

基于专利与论文的数据源,建立颠覆性技术识别指标体系

适用于技术发展较为清晰的整个技术阶段。

实施难度中等

定量分析

7

专利发展路径和主题模型识别法

高被引专利为数据源,运用主题模型事前识别出潜在颠覆性技术

适用于技术发展较为清晰的整个技术阶段。

实施难度中等

定量分析

8

理想属性的多维度评估方法

采用专家综合研判的方式给出评估体系

可用于颠覆性技术初期及整个技术发展阶段

实施难度较高

定性分析

6. 国外颠覆性技术创新经验与启示

6.1 科技强国推动颠覆性技术创新经验与启示

近代社会以前,虽然颠覆性技术不断诞生,并一直改变人类生产和生活方式,推动着人类社会的进步,但人们还没有形成主动识别、培育颠覆性技术的意识,颠覆性技术经历漫长的“自然发展阶段”。二战后,随着技术发展和美苏竞争,促使美国政府率先介入颠覆性技术创新,把颠覆性技术推进了发展的快车道。在“国家引导、科技发展、市场驱动”三者共同作用下,美国对颠覆性技术进行一系列系统部署,经过了长期的演化发展,形成了日益高效、充满活力的发端于国防战略需求,扎根于国家创新土壤,延展到国民经济体系,充分遵循颠覆性技术的规律特点的颠覆性技术创新体系。世界各国也纷纷开始效仿和学习美国,逐步开展了多维度多层次的探索实践,促进颠覆性技术的发展,形成了很多成功经验。

1)持续的战略引导

一是对创新体系顶层设计。科技强国一直以来积极对创新体系进行顶层设计,制定清晰的科学技术投资目标和研发战略,对国内技术发展趋势进行战略引导,在颠覆性技术创新方面也不例外,并且发挥了重要作用。例如美国白宫科学技术政策办公室(OSTP)定期发布《美国创新战略》,指出如何对美国国家创新体系进行投资,例如投资创新基础、助力企业创新引擎、增强国家创新者等。2015年发布的创新战略还提出要促进国家优先事先突破。美国国家科学技术委员会(NSTC)从国家目的出发,制定清晰的联邦科学技术投资目标和研发战略。二是形成了常态化研究机制。军方、工业界、情报界、学术界、智库等要积极开展“颠覆性技术”战略研究,形成了常态化研究和交流机制,在各个层面推进颠覆性技术战略研究。例如,美军围绕“颠覆性技术”开展了大量的战略研究:每年召开一次颠覆性技术年会,充分调动各方力量,推动颠覆性技术发展等等。三是持续开展颠覆性技术的识别预测。对潜在颠覆性技术进行识别,对某些颠覆性技术进行稳定的资金支持。例如英国通过组织科学界、研究理事会和技术战略委员会等多方专家共同研讨,筛选出优先发展的前沿技术,进行重点资金支持;美国空军研究委员会(AFSB)的2009年《“颠覆性技术”的持续监视》、未来颠覆性技术预测委员会(CFFDT)在2009年和2010年出版的系列研究报告《颠覆性技术的持续预测》等。

2)设立了专门机构或发展计划

科技强国依照颠覆性技术的特点争相设立专门的计划或机构大力发展颠覆性技术。如:美国的国防高级研究计划局(DARPA)、日本颠覆性技术创新计划(ImPACT)、德国的网络安全与关键技术颠覆性创新局(ADIC)等。一些商业机构通过设立X实验室,为颠覆性技术建立相对独特的培育模式,如大名鼎鼎的谷歌X实验室。这些机构和计划极大地推动了颠覆性技术的产生和发展。并且有以下共同的特点:

一是形成了基于需求的项目产生方式和“简洁、灵活”分散的项目管理模式。历史经验表明大量颠覆性技术,是未来需求引导产生的。政府和企业的专门研究机构,基于新兴技术发展和对未来社会形态的假设,确定未来需求,形成高风险的先进研究项目,进而激发、聚集创新体系中的新技术或新技术应用。最终能满足项目需求的一些新技术或新技术应用,往往就是颠覆性技术萌芽。这种通过未来需求产生颠覆性技术的创新模式,是一种前沿交叉的探索活动,具有不确定性、高风险、高回报的特点,需要“简洁、灵活”的小型分散的项目管理模式。

二是开展及时的技术转移。当可行性提高、获得认可,颠覆性技术萌芽不再适用于高风险高回报的分散式、小型项目投资管理方式,及时转由其他大型项目、攻关计划将颠覆性技术萌芽推向最终成功。成功转化的例子如ARPA-NET转为民用互联网、隐身飞机转由军工企业研制、GPS转军再转民等。管理模式发生转变后,对单项颠覆性技术而言,已经走出了独特的创新模式,但颠覆性技术创新模式还将继续运转,并致力于识别新的颠覆性技术。

3)政府市场双轮动

颠覆性技术创新既需要国家引导,也需要市场经济利益驱动。在政府广泛推广颠覆性技术创新的同时,市场也在发力。一方面依托比较完善市场体制、高效的资本市场,通过风险投资、种子基金、市场融资等方式使各类资源要素投向前景好、回报高的颠覆性技术。谷歌、特斯拉、SpaceX等新兴科技公司的崛起,不仅在于这些公司的技术研发优势,也得益于美国科技与市场、资本的紧密结合,实现迅速扩长。另一方面,政府通过制定计划和政策,促进新技术由实验室到市场的转化,扶持更容易产生颠覆性创新的中小企业的创新研发和成果转化活动,如美国制定中小企业创新研究计划(SBIR)、小企业技术转移研究计划(STTR)等创新政策及科技计划等方式直接干预技术研发活动,以此来鼓励中小企业技术进行创新活动。欧盟也在第九框架协议计划(FP9)探讨通过两大机构对各类创新主体的颠覆性创新研发活动给予支持:一是“欧洲创新理事会探路者”(EIC Pathfinder),着重解决中小企业成立初期的商业模式问题;二是欧洲创新理事会加速器(EIC Accelerator),关注创新型企业关键技术由实验室向市场转化的问题,推进中小企业的技术创新研发活动。

4)重视对基础研究和交叉领域的投入

从历史上看,许多颠覆性技术的诞生与发展都源自基础研究和交叉领域的重要突破。基础研究能为颠覆性创新的孕育蓄积能量,是颠覆性创新的科学原理基石;学科交叉点往往是科学新的生长点、新的前沿,再加上当今现代科学发展的跨学科性和跨领域性日益明显,未来重大创新更多地出现在学科交叉领域。世界主要创新型国家非常重视基础研究和交叉领域,通过投入经费、设立重点发展领域及相关机构,为颠覆性技术的培育孵化的提供丰厚土壤。例如在基础研究方面,美国2016 年基础研究总投入为 863 亿美元(我国投入总量仅比美国的四分之一略强),基础研究投入占研发总投入的比重18%左右(中国只占5.2% ;在交叉领域方面,美国在2012年就将生物、机器人、信息、生命、清洁能源、新能源汽车等重点发展产业的交叉领域作为重点科技发展领域的7 个方面之一,美、英、德等发达国家也相继成立了学科交叉研究中心,为前沿学科建设开辟道路。

5)智库发挥着重要作用

首先,政策、经济、国际关系等方面的战略研究能影响国家科技政策和发展战略,以夯实基础。其次,智库基于专业评估手段、结合技术成熟度和未来社会形态变化,提出的未来颠覆性技术预测和战略性建议,可辅助先进研究专门机构明确需求;最后,智库从技术以外的角度对整个颠覆性技术创新体系以及颠覆性技术综合效应进行的评估,有助于优化创新管理模式、预警颠覆性技术可能引起的破坏性风险。2004-2012年间,美国国防工业界组织召开了9届“颠覆性技术”年会,这些会议以识别颠覆性技术为目的,为美国遂行非对称军事任务填补能力空白。商业领域近年来包括MIT、麦肯锡、高德纳等众多知名研究机构、公司持续发布颠覆性技术研究报告。

6.2 典型机构开展颠覆性技术创新经验与启示

美国DARPA(国防高级研究计划局),DIUx(国防创新实验单元)、日本ImPACT(颠覆性技术创新计划)计划和德国ADIC(网络安全和关键技术的颠覆性创新机构)等机构作为典型的颠覆性技术创新机构,在其管理理念、组织模式和运行机制等方面都积累了很多成功经验。

1)颠覆性技术创新最大的阻力是组织自己

历史的经验表明,几乎没有颠覆性技术的发明者(包括个人和组织)实现最终颠覆,组织内部很难成长出颠覆性技术。许多重大的颠覆性技术,都发源于大组织,兴起及成功于新兴小组织。“墙内萌芽,墙外开花”,“孕育颠覆性技术却被颠覆”等现象比比皆是。比如商业领域中“仙童的八叛逆”、“柯达的数码相机”;军事领域中的GPS,发源于美国海军却被海军抛弃,在DARPA得到资助并走向成功。组织在三个方面阻碍颠覆性技术创新:一是现有价值网络扼杀新兴颠覆性技术的萌芽。新颠覆性技术会重构现有模式和格局,在组织内面临资源、流程、价值观的严重冲突,几乎不可能获得成长空间;二是利益冲突使内部无法厚植颠覆性技术创新的土壤。组织内部利益固化形成的思想之墙、利益之墙、部门之墙、团派之墙,使组织内部几乎没有接纳新兴颠覆性技术的土壤;三是机构僵化抹杀颠覆性技术创新活力,组织机构的固化,运行模式的僵化、形成严重的路径依赖,在组织内很难激发颠覆性技术创新的活力。

2)大问题是产生颠覆性技术的重要前提

推动颠覆性技术创新不仅仅需要新思想和理念的开拓、科学和技术的探索以及人才和资金的支持,而且可能会打破在创新到实施过程中由于“颠覆性”所带来的原有利益格局或传统的工作流程。解决国家安全大格局下的重大问题之所以是颠覆性技术创新的重要支撑。这些机构中,发展颠覆性技术的基本路径是问题--思想--人才--项目(群),产生大问题、识别好思想、寻找好人才、利用好资源是培育颠覆性技术的核心。例如DARPA独特定位使其能超越军种、行业、领域,甚至学科学派,在国家安全战略大格局下思考重大需求问题,更易催生颠覆性技术的视野和远见,推动颠覆性技术创新所需新思想、新理念的开拓、科学和技术的探索以及人才和资金的支持,打破在创新到实施过程中由于“颠覆性”所触及的原有利益格局。

3)培育颠覆性技术需要打破利益固化、思想固化和价值网络固化

颠覆性技术的实现要求组织能够打破利益固化、思想固化和价值网络固化,这需要组织具备大的格局和前瞻的战略视野,压制本位主义,不把位置坐在具体业务方向和部门上,才能催生颠覆性技术的视野和远见,推动颠覆性技术创新所需新思想、新理念的开拓;需要组织推到各种阻碍思想、人才、资源汇聚之墙,包括思想之墙、利益之墙、部门之墙、学派之墙、团派之墙,才能为大问题的解决识别好思想、寻找好人才、利用好资源,促进新思想和新理念的实现;需要在组织和制度设定上要“砍掉手脚”,不做实体,保持灵活性,才能避免组织陷入创新路径固化和机构固化,保持组织创新活力。DARPADIUx的伟大之处在于始终坚守自己独特的定位,“推到隔墙”,将全社会范围的包括产、学、研等各个方面的力量汇聚到一起,充分利用全社会潜在的资源体系,将人才和创意、技术和应用紧密关联,形成强大的资源解决问题,催生颠覆性技术的实现。

4)颠覆性技术的评价要“打破成败之墙”

颠覆性技术具有前沿性,它要求对知识或技术进行前沿研究,衡量是否前沿的方式就是你多长时间失败一次,这种“失败”往往带来更大贡献;颠覆性技术在实现过程中也存在很多不确定因素,具有突变性、不确定性和高风险性,因此发展颠覆性技术必然伴随着失败,需要不断进行尝试。若要遴选出真正的“领跑者”,对颠覆性技术的评价则需要“打破成败之墙”,不惧失败,关注鼓励探索和勇于探索,不过分聚焦一时得失以及短暂的、平庸的结果,这更符合颠覆性技术发展的规律,更能激发研究人员的创新热情和挑战欲,营造良好的创新文化氛围。例如DARPA尤其注重对失败的宽容和呵护,打破“成败之墙”,DARPA大约85%-90%的项目未能达到其全部的目标,在投资上的失误率与技术研发的成功率相比难分上下。正是这样的评价方式使得DARPA能够在选择资助的项目以其是否包含新思想为准则,倾向于高风险高回报的项目;才使得DARPA在科技前沿模糊地带的思想得以不断被尝试,培育出多项颠覆性技术。

5)培育颠覆性技术需要新的管理方式

发展颠覆性技术不仅面临严重的技术冲突和管理冲突,而且还需要当前与未来的平衡,对组织是个严重挑战。较为成功的组织,都根据颠覆性技术的这一特性,采用了独特的管理模式——“体外”特区(如DARPAGoogleXF8等)。这些体外特区有以下共同特征:

使命定位:以创新为使命,以调动全社会的资源为手段,把创新建立在整体生态之上。业务定位:超越所有业务、部门,不陷入具体方向。只做萌芽段,项目得到验证便转到其他部门,不被创新链捆死体制机制:开辟体外特区,成立专门“机构”,运行不进入现有的价值网络(资源、流程、价值观)。机构小规模、管理扁平化、项目小且分散。实施保障:“削去屁股”,压制本位主义,不把位置坐在具体业务方向和部门上,培养大格局和长距视野。“砍掉手脚”,不做大实体,保持灵活性,避免陷入机构固化。“推倒隔墙”,推倒各种阻碍思想、人才汇聚之墙,包括思想之墙、利益之墙、部门之墙、业务之墙、团派之墙。