美國 “奧斯卡級創新”獲獎組織合作網絡演化研究
——基于1979—2020年R＆D100獲獎數據

楊 超

(1.中國礦業大學公共管理學院，江蘇 徐州 221116;中國礦業大學安全工程學院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

自1963年至今，美國 《研發世界雜志》 (R&D World Magazine)連續58年發布世界研發百強獎 (R&D 100 Awards)，有 “創新領域奧斯卡獎”之稱，已成為世界上最有影響力和備受關注的創新發明獎[1-2]。世界研發百強獎為科技研發中的顛覆性和革命性創新設立，成為測度 “最具顯著性創新的技術”的重要指標[3]。美國從設獎至今占據絕對優勢，歐洲、亞洲上榜的研發創新近年來有所上升，但仍非常有限，反映出美國在世界科技創新角逐中處于絕對地位。本文以1979—2020年世界研發百強獎的4194條數據為切入口，分析美國 “奧斯卡級創新”獲獎組織的合作網絡演化動態和公共創新集群生態模式，以期對我國科研機構改革和調整提供參考性建議。

世界研發百強獎多次被用于重大技術創新相關的測度指標：Fortana等[4]依托獲獎創新申請專利測度了顛覆性創新的專利傾向性，分學科、地域和組織探討兩者的關聯；Chen等[1]探討了企業對競爭對手獲得世界研發百強獎后的兼并收購反應等問題。國家創新系統研究側重于宏觀路徑[5]，尚少對獲得重大創新獎的頂級組織系統演變過程有深入研究。國內部分研究[6]主要采用定性方法從思想演進和政策應用上解析國家創新系統與創新政策的關系，提出美國大學和國家實驗室在國家創新系統中至關重要[7-8]，政府科研投入、科研組織模式創新和基礎性研究商業轉化是美國大量產出重大創新的重要原因[9-11]。現有研究加深了對美國國家創新系統的理解，但缺乏對美國核心研發機構合作獲得重大創新獎產生的國家創新系統頂級梯隊演化問題的直觀呈現和動態分析。

本文從以下四個方面深化現有研究：第一，明確 “奧斯卡級國家創新系統頂級梯隊”的概念界定，即由在世界范圍內獲得重大突破技術的研究組織構成的國家頂尖科學研究與開發梯隊，概念邊界圈定在獲得國際或國內認可度高的政府科技獎或社會科技獎的組織機構；第二，研究整理40年來的世界研發百強獎數據，描述統計分析獲獎國家的變化、主要獲獎機構類別等；第三，采用Gephi軟件以每十年的獲獎數據為分段，展現國家創新系統頂級梯隊的合作網絡演化態勢；第四，重點解析 “獲獎大戶”——以聯邦實驗室為中心的公共創新集群的生態模式。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源及整合

本研究統計了 《美國研發世界雜志》自1979—2020年以來的4194條獲獎組織數據，數據統計分兩步展開：第一步，數據匯總與數據清洗。將自1979年以來的獲獎項目、獲獎組織、合作開發者等數據整合，開展大量的人工數據清洗工作，對同一家組織在不同獲獎年份的名稱差異逐一校對和字段去重，提升原始數據的準確性和一致性；第二步，數據的分類和補充。對原始數據進行人工歸類，采用財富500強逐一完善獲獎組織的國別、組織類型、企業規模等信息。

1.2 研究方法

使用Gephi為軟件工具可視化世界研發百強獲獎組織的合作關系，鑒于設獎初衷為遴選重大突破性創新且獲獎國家主要是美國，以此來揭示 “奧斯卡級國家創新系統頂級梯隊”的合作演化。Gephi是解析主體合作網絡的大數據分析軟件，能夠直觀分析系統結構演化歷程。本研究使用度和模塊化等指標，展示美國政府研發機構、企業研發機構的合作關聯。

2 R&D100獲獎創新數據與美國 “奧斯卡級國家創新系統”的組織構成

“世界研發百強獎”旨在篩選出具有重大創新影響力的新技術和新材料，迄今已有58年歷史，獲獎創新通常分為分析測試類、信息技術/電氣類、機械材料類、過程系統制造類、軟件服務類及其他類。美國的獲獎組織比例在近40年中一直處于絕對領先地位，每年近90%的獲獎組織為美國的企業、政府部門、政府實驗室、高校等。因此，選取R&D100獲獎創新數據來展示美國 “奧斯卡級國家創新系統頂級梯隊”具有明顯的合理性。

2.1 美國在世界研發百強獎中的比重趨勢

圖1所示為1979—2020年美國之外的獲獎創新數與美國獲獎創新數的占比變化，可見：第一，美國之外的獲獎創新數占比呈現總體上升趨勢；第二，從比率上看，獲獎數的國別差異有一定的波動性，1979—2000年，美國之外的獲獎創新數僅為美國獲獎創新數的10%，2001年達到峰值，隨后再次下降，2010年以后基本上在14%上下徘徊。除了美國之外，日本和德國也一直是獲獎組織的主要來源國，中國臺灣地區2008年以后也逐漸嶄露頭角，中國大陸目前僅有2009年和2017年分別有1項創新技術上榜。

圖1 世界研發百強獎國別比較趨勢

2.2 美國獲得世界研發百強獎的組織類型變化

1979—2020年美國獲得世界研發百強獎的組織類型變化趨勢如圖2所示。在美國頂級創新梯隊中，企業及企業實驗室、美國政府及國家實驗室、高校是獲獎組織的主體，尤其是前兩者每年都能產出相當數量的重量級創新。第一，企業研發機構和政府科研機構似乎存在此消彼長的 “中軸對稱”關系：企業研發機構處于高位時政府科研機構處于低位，政府科研機構處于高位時企業研發機構就處于低位，這種趨勢自1979年至2020年持續存在；第二，近15年來自高校的獲獎數有顯著上升趨勢，而在1996年之前高校的獲獎創新數非常低，美國頂級創新梯隊是以政府類組織和企業類組織為主導的，在政府類組織中，較為龐大的是美國國家實驗室體系組織，美國商務部、國家航空航天局、國防部、能源部也都貢獻了相當數量的重大突破性創新數；第三，在獲獎的企業類組織中，美國500強企業及其實驗室是主體，獲獎組織中只有較少部分的中小企業，以1988年、1998年、2008年和2020年的 《財富》美國500強企業排名作為參考，統計發現95家美國500強企業在近40年獲得世界研發百強獎總數達705項，接近總獲獎數的17%。排名前四的依次是陶氏化學 (DOW)及其下屬公司、通用電氣、西屋和洛克希德·馬丁。陶氏化學、通用電氣等美國500強企業多數是自建實驗室開展研發創新。

圖2 美國獲世界研發百強獎的主體比較趨勢

2.3 美國 “奧斯卡級國家創新系統頂級梯隊”的組織構成

如表1所示，在近40年R&D100獲獎最多的前30名組織中，美國占據24席，且獲獎超過100項的均為美國機構。首先，政府科研機構是美國頂級創新梯隊的最主要成員，在超過100項的機構中，除了陶氏集團為企業組織，其他均為以美國國家實驗室為主的政府科研機構。其次，企業及企業實驗室是美國重大科技創新獲獎的第二大類組織，在前30名中的有陶氏集團 (111項)、康寧公司 (49項)、通用電氣 (46項)等。再次，第三類是以美國西南研究院、巴特爾紀念研究所、美國電力研究院為代表的獨立科研機構，前30名中僅有麻省理工學院一所高校上榜，獲獎數位39項。

表1 排名前30的美國 “奧斯卡級創新”獲獎組織

3 美國 “奧斯卡級國家創新系統頂級梯隊”的組織合作網絡

為了揭示美國 “奧斯卡級國家創新系統頂級梯隊”的組織合作網絡，本研究使用Gephi軟件繪制世界研發百強獎的獲獎組織合作網絡圖。首先采用社交網絡分析中度 (degree)的指標形成作為圖中點的大小依據，度指的是與一個組織有合作關系的組織數量，點越大說明合作的組織越多；其次采用模塊化 (moduality)指標測算出網絡社區數，并以不同顏色加以區分[12]；然后將度的數值設為3，過濾部分合作較少的機構，使得最為核心的關系能夠清晰呈現；最后以十年為階段，繪制美國 “奧斯卡級國家創新系統頂級梯隊”的合作網絡演化圖。

3.1 以航空研發為核心的美國國家創新系統頂級梯隊初建期

1979—1988年，美國國家創新系統頂級梯隊累計獲得917項 “百強獎”。如圖3所示，在這些獲獎組織之間一共形成66個創新社區，合作網絡雛形初現。第一，美國國家航空航天局劉易斯研究中心 (NASA Lewis Research Center)是國家創新系統頂級梯隊初建期最大的研究組織節點，并以其為核心形成了最大的社區集群；第二，以阿貢國家實驗室 (Argonne National Laboratory)、勞倫斯伯克利國家實驗室 (Lawrence Berkeley National Laboratory)、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 (Lawrence Livermore National Laboratory)、洛斯阿拉莫斯國家實驗室 (Los Alamos National Laboratory)等國立科研機構在合作網絡中的集聚度較高；第三，美國大型企業和政府部門的合作參與較高，核心節點包括馬丁瑪麗埃塔材料公司 (Martin Marietta)、美國礦產局 (US Bureau of Mines)和通用電氣 (General Electric)等。

圖3 1979—1988年美國 “奧斯卡級創新”獲獎組織合作網絡

3.2 以電力能源為核心的美國國家創新系統頂級梯隊膨脹期

1989—1998年，美國國家創新系統頂級梯隊的組織合作更加復雜，如圖4所示。第一，美國電力研究院成為這一時期的最大合作節點，并以其為內核建構了最大的合作網絡；第二，美國能源部下屬的國家實驗室進一步發力，研究節點快速擴大，桑迪亞、勞倫斯利弗莫爾、洛斯阿拉莫斯和橡樹嶺等國家實驗室成為生產重大創新的代表，與上一個十年相比，這些實驗室的發展速度極快；第三，合作網絡密度更高，過濾后的合作節點更多；第四，前一個十年最大合作中心組織美國國家航空航天局劉易斯研究中心卻沒有擴大。

圖4 1989—1998年美國 “奧斯卡級創新”獲獎組織合作網絡

3.3 以巴特爾代管為趨勢的美國國家創新系統頂級梯隊爆發期

1999—2008年，美國國家創新系統頂級梯隊的變化更為劇烈，如圖5所示。進入爆發期，合作網絡呈現出三大趨勢：第一，美國能源部下屬的國家實驗室發展快速成熟，勞倫斯利弗莫爾、桑迪亞、洛斯阿拉莫斯、橡樹嶺等國家實驗室已經成為頂級梯隊最為核心的機構，國家實驗室合作網絡強度不斷凸顯；第二，非營利科研組織的地位也在不斷強化，最為典型的是巴特爾紀念研究所 (Battelle Memorial Institute)，成為美國能源部和國土安全部6個國家實驗室的實際管理者，而且這種趨勢仍然不斷擴大；第三，非營利科研組織與國家實驗室的合作推進，巴特爾紀念研究所和西北太平洋國家實驗室共同構成 “雙子星”，巴特爾在2000年以后逐漸成為美國能源部和國土安全部的西北太平洋、橡樹嶺、布魯克海文等國家實驗室的實際運營者。

圖5 1999—2008年美國 “奧斯卡級創新”獲獎組織合作網絡

3.4 以全方位凸顯為特征的美國國家創新系統頂級梯隊成熟期

如圖6所示，2009—2020年，美國國家創新系統頂級梯隊組織合作網絡達到膨脹巔峰期，以頂級梯隊為中心的合作社區全方位凸顯。第一，美國國家實驗室體系的重大創新獲獎數達到巔峰，橡樹嶺成為合作網絡的最大中心，阿貢國家實驗室、桑迪亞國家實驗室、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室等大型國家實驗室的合作密度仍然保持；第二，美國規模較小的國家實驗室的合作網絡已經清晰可見，國家能源技術實驗室、國家可再生能源實驗室等規模最小的國家實驗室也都在網絡中清晰可見；第三，美國政府部門下屬機構的合作網絡更加頻繁，比如美國國防部、商務部、國土安全部、能源部等部門下屬機構合作網絡密布，形成了較為成熟的合作社區，如美國國土安全部的國家核監測辦公室與能源部下屬的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室共同研制的 “輻射監測新方案”等。

圖6 2009—2020年美國 “奧斯卡級創新”獲獎組織合作網絡

4 美國公共創新集群合作生態微觀模式

在近40年世界研發百強獎獲獎數據中，以聯邦實驗室為核心的若干個公共創新集群不斷凸顯，構成了 “奧斯卡級創新”獲獎社區。這些公共創新集群包括美國國防部、能源部、商務部等多個政府部門、一大批規模不一的聯邦實驗室、世界500強企業、世界一流大學等。在公共創新集群中，聯邦實驗室與其他組織的合作生態如何產生、維持并協同配合？聯邦實驗室為什么能夠成為公共創新集群的合作中心？本文從合作生態角度，將獲獎條目、申報單位等信息混合，分析美國公共創新集群的生態成員特征，形成如圖7所示的公共創新集群合作生態圖。

圖7 美國公共創新集群合作生態微觀模式

4.1 多政府部門資助與項目分區管理的運作模式

政府是美國公共創新集群的最大出資者，美國商務部、國防部、能源部、衛生部、國土安全部及航空航天局等部門通過項目資助對實驗室進行宏觀管理，直接由政府托管的實驗室僅1家，以此推動科學研究符合美國政府關注的核心需求。美國聯邦實驗室不僅包括能源部下屬的17家國家實驗室，而且包括商務部、衛生部、航空航天局等多政府部門下屬的實驗室。在近40年世界研發百強獎獲獎數據庫中，直接涉及美國政府部門的獎項高達912項，超過總獲獎數的20%；聯邦實驗室獲獎數達到1231項，將近總獲獎數的30%。

國家實驗室的經費來源方主要是各相關政府部門，實驗室是政府開展科學研究的代理者。以勞倫斯利弗莫爾國家實驗室為例，實驗室由勞倫斯利弗莫爾國家安全有限公司運營，管理團隊包括美國柏克德工程公司 (Bechtel)、加利福尼亞大學、巴威公司 (Babcock & Wilcox)、URS工程公司華盛頓分公司和巴特爾研究組織等。根據2019年實驗室年報數據[13]，勞倫斯利弗莫爾實驗室的最大開支為武器研究 (13.92億美元)、國防部相關研究 (2.48億美元)、能源部科學與能源研究 (1.32億美元)、防核擴散研究 (1.29億美元)、國土安全部研究 (0.23億美元)、非政府委托研究 (1.68億美元)、實驗室建筑維護改造開支 (0.25億美元)、實驗室安全運營支出 (0.88億美元)。美國能源部和國家核安全局 (National Nuclear Security Administration)是實驗室的主要資助方，運營公司提供實驗室運行和開展科研工作的環境。美國航空宇航局、國防部、國土安全部、衛生部等都以項目形式實現國家重大項目需求。

勞倫斯利弗莫爾實驗室將業務職能分為科學技術、國家使命項目和商業聯絡三塊；將計算、工程、物理學和生命科學納入科學技術職能部，將全球安全、武器相關和國家點火裝置和光子科學納入國家使命項目部，將企業運營和商業化相關納入商業聯絡部。多政府部門資助的準確歸口，確保實驗室不會偏離國家重大戰略需求、基礎性重大科學研究和市場化商業動力三個目標，使得實驗室兼具基礎性、國防性和商業性，且能高效運轉。

4.2 合同企業輪換托管聯邦實驗室的組織互嵌托管模式

美國國家實驗室與企業合作的模式多種多樣，除了最常見的企業委托實驗室承擔項目外，合作水平最高的模式是企業受政府托管運營國家實驗室的組織互嵌托管模式。托管企業并非 “一勞永逸”，采用競標方式獲得國家實驗室的一個或者多個管理周期的運營權。企業組織競標對國家實驗室的管理權，推動實驗室管理運營者的靈活性和合同性，這為企業與政府實驗室的階段性互嵌提供了良好的機制，也成為公共創新集群演化的經濟動力。

以橡樹嶺國家實驗室為例，馬丁·瑪麗埃塔公司 (Martin Marietta)、聯合碳化物公司 (Union Carbide)等是與橡樹嶺國家實驗室合作獲獎數最高的兩家企業，分別達到18次和10次。馬丁·瑪麗埃塔公司是洛克希德·馬丁公司的前身之一，在材料和能源系統領域技術強勁，主要服務于美國空軍裝備。聯合碳化物公司是陶氏化學的前身之一，在石油化學材料領域表現突出。這兩家企業都曾是橡樹嶺國家實驗室的托管企業，也是組織互嵌合作的受益者。組織互嵌合作模式不僅是美國能源部國家實驗室的組織形式，在國防部的聯邦資助研究中心 (Federally Funded Research and Development Center，FFRDC)也普遍采用，但美國聯邦實驗室在組織模式選擇上的靈活度更高，組織互嵌的程度由合同決定。

美國500強企業中有孟山都、聯合碳化物、EG&G、洛克希德·馬丁、柏克德、杜邦、西屋、霍尼韋爾等直接托管過聯邦實驗室，這些企業大多與軍事國防領域緊密相關。例如，通用電氣與美國航空宇航局的格倫研究中心、劉易斯研究中心、美國電力研究所等有6項合作獲獎，西屋及其前身公司與美國電力研究所、阿貢國家實驗室、愛達荷國家實驗室有5項合作獲獎。陶氏化學及其下屬公司等企業盡管獲獎項數位居前列，依靠自建高質量的企業研發實驗室以占據商業領先地位，獲獎單位以單一企業或企業分公司合作為主，但合同企業輪換托管的組織互嵌模式為大型科技企業與聯邦實驗室深度合作提供了一種選擇。

4.3 非營利組織-大學-聯邦實驗室聯盟重組企業協作托管模式

非營利組織-大學-聯邦實驗室聯盟重組企業協作托管，是美國聯邦實驗室管理中的典型模式。與組織互嵌模式不同，組織互嵌模式通常是由一家企業通過合同形式托管聯邦實驗室，而聯盟重組企業模式則是先建立一家由非營利組織、大學等構成的聯盟重組企業，再由聯盟重組企業托管實驗室。

巴特爾研究組織是參與美國聯邦實驗室托管最為典型的非營利組織，不僅運營管理了巴特爾紀念研究所，而且參與監管實驗室，包括布魯克海文、愛達荷、勞倫斯利弗莫爾、洛斯阿拉莫斯、國家可再生能源實驗室及國家生物防御分析與對策中心。在近40年世界研發百強獎獲獎數據中，僅與巴特爾研究組織直接相關的就有67項創新。

近20年以來，美國聯邦實驗室的托管組織輪換競標，巴特爾及其成立的聯盟重組企業8次獲得聯邦實驗室管理權。巴特爾研究組織針對不同實驗室實際建立了多樣化的聯盟重組企業協作托管模式，如表2所示。巴特爾將實驗室管理特色總結為 “科學技術、實驗室管理和利益相關者管理同步卓越”的特色。在這套制度指導下，實驗室管理工作重點在于推動實驗室科技水平保持世界前沿，促進基于績效的實驗室員工責任制和優化利益相關者格局。巴特爾是149家美國企業的創新中樞，有發達的企業合作網絡，這種托管模式成功地挖掘了非營利組織的聯絡優勢，為不同層級和規模的組織利用聯邦實驗室平臺提供了合作的可能。

表2 巴特爾參與管理的聯邦實驗室托管組織構成

5 結論與建議

5.1 研究結論

第一，盡管美國之外的獲獎數呈總體上升趨勢，但美國仍然穩固把持絕對主體地位，部分反映出美國在世界科技競爭中的主導地位。在 “奧斯卡級創新”獲獎的美國組織中，政府科研機構是美國創新系統頂級梯隊的最主要成員，企業研發機構與政府科研機構獲獎數呈現 “中軸對稱”關系，即企業研發機構與政府科研機構獲獎數 “此消彼長”，高校獲獎數緩慢上升，且一直居末位，僅麻省理工學院一所高校進入獲獎數前30機構。

第二，以美國能源部、國防部、商務部、航空宇航局、衛生部等政府部門下屬的聯邦實驗室在近40年世界研發百強獎中的獲獎數不斷凸顯，規模較小的聯邦實驗室近十年已經在合作網絡圖中清晰可見，形成了成熟的合作社區。國家創新系統頂級梯隊合作網絡中心節點密度的趨勢，從初建期美國航空航天局獲獎數 “一家獨大”，到膨脹期和爆發期形成的桑迪亞等數家國家實驗室獲獎數 “多足鼎立”，再到近十年成熟創新社區 “全方位凸顯”，美國 “奧斯卡級國家創新系統頂級梯隊”成員穩定性和創新社區延展性大大增強。

第三，美國政府、企業、高校、非營利組織與聯邦實驗室合作獲獎衍生出的三種合作生態模式為：①多政府部門資助與實驗室項目分區管理的項目運作模式，推動聯邦實驗室優先滿足國家重大需求，實驗室項目運營部門界限明確，保障了科學研究、國家需求和市場需求的實現渠道穩定性；②合同企業輪換托管聯邦實驗室的組織互嵌托管模式，便于推進聯邦實驗室成為公共創新平臺，直接服務于大型企業參與世界科技的商業競爭，也為實驗室設備穩定投入和商業利用增加了渠道；③非營利組織-大學-聯邦實驗室聯盟重組企業協作托管模式，培育了政府實驗室管理的專業化機構，不僅契合了管理標準化和個性化兼顧的現實需求，而且搭建了大學、聯邦實驗室和眾多美國企業之間聯結的實體紐帶。

5.2 政策建議

一方面，應加快優化社會科技獎勵體系，尤其是培育高影響力和認可度的社會科技獎。社會科技獎勵的獎項設置靈活性更高，但現有社會科技獎多是行業性獎勵，且國內國際認可度均不高。借鑒美國經驗，推動國內知名科技創新期刊或智庫逐步建立一套重大突破性創新獎篩選機制，確保評選的公平性和合理性，設立具有國際影響力的重大突破性創新社會科技獎勵。應放眼全球設置世界科技創新獎，培育中國在世界科技競爭中的號召力和影響力，提升中國的社會科技獎在世界范圍內的 “話語權”。

另一方面，應合理規劃國家創新系統頂級梯隊建設，推動政府實驗室建設成為國家公共創新平臺，增強實驗室的開放共享能力，助力國家核心科技利益和國家安全。一是借助政府科技獎和社會科技獎的 “指揮棒”效應，推動建構穩定的政產學研用合作網絡體系，促進政府、高校院所和企業對國家實驗室科研資源的高水平利用；二是建構更明晰的實驗室功能部門，整合國家實驗室等同類機構在國家重大需求服務和商業市場服務資源系統，為供需一體化的初期匹配提供更便捷的路徑；三是探索建立考慮中國實際的實驗室創新組織形式，使實驗室面向不同組織機構都能提供合作的標準化模式，成為不同規模、不同屬性組織探求合作的便利接口；四是強化在能源、國防、通信、空天等國家重大需求領域的國家實驗室布局，加大對未來社會轉型研判，為參與世界科技競爭提前占據有利地位。