从石墨烯说起，如何加速新材料的商业化进程，别让优点成为致命点

前言

产业升级与材料发展历程

来源：“关键新材料创新突破的研究回顾与展望”，资源科学41(2019) 207。

材料是人类一切社会经济发展和社会进步的基础。人类文明的石器时代、铜器时代、铁器时代和硅时代的递进可以看到人类对材料认知和开发的重要性。回溯工业革命历程可以发现每一次产业升级都伴随着材料的创新与进步，如上图所示。为了持续的科技进步，为了超越硅时代的摩尔定律，人类已经由“硅时代” 迈向“碳时代”。石墨烯、超导材料、纳米材料等或将成为碳时代的关键材料。2015年10月23日，习近平主席参观曼彻斯特大学国家石墨烯研究院时指出“在当前新一轮产业升级和科技革命大背景下，新材料产业必将成为未来高新技术产业发展的基石和先导，对全球经济、科技、环境等各个领域发展产生深刻影响。

中国是石墨资源大国，也是石墨烯研究和应用开发最活跃的国家之一”（新华网）。2020年中国的石墨烯先行者们看到了突破的曙光，石墨烯在手机散热、改性纤维、大健康、防腐和润滑等领域不断取得小范围成功应用。距2004年发现石墨烯已经过去15年，即使从2010年诺贝尔奖的轰动效应算起也已过去了10年，产业界应当认真思考中国石墨烯发展的来龙去脉、前因后果、经验教训，更重要的是相关企业家和核心研发人员要思考新材料或先进材料自身的发展规律，深刻理解新材料发展所必须经历的过程。新材料研发和商业可以适当加速，但很难跨越式发展，如果无视其必然规律，采用冒进的商业策略或激进的投资行为，或许会引发“后浪推前浪，前浪死在沙滩上”的循环。我们理解并翻译了这篇发表在国际顶级学术期刊NatureMaterials上，讲述如何加速新材料商业化进程的论文，分享给石墨烯同行、新材料从业者们。正如这篇论文中的一部分所指出的一样，石墨烯应用范围极其广泛这一看似优点，却可能成为初创企业运营混乱的致命点。每个石墨烯企业都需要选择某个具体应用，聚焦并沉入到某个具体应用。

加速新材料商业化进程

原文标题：Acceleratingadvanced materials commercialization

原文出处：NatureMaterials 15 (2016) 487

商业化时间长、投资成本高和持续的不确定性阻碍了先进材料创新方面的资本投入。通过适当的策略，可以减少技术和市场的不确定性，从而加速先进材料的商业化。

先进材料类的初创企业，通常是从科研院所中孵化而来的，新材料和新工艺的创新及商业化越来越重要。随着越来越多的化学和材料领域的跨国公司开始转向开放式的创新模式，这些公司需要对激进的技术创新进行跟踪，然后购买或许可使用这些创新技术。专注于突破性技术的先进材料初创企业为这些大公司提供了一个机会之窗，将很可能成为它们根本性创新的源泉。对大公司而言，这也是高风险的投资行为，因为从实验室走向市场（lab-to-marketor lab-to-fab）的过程中面临着严峻的挑战。在先进材料方面的技术创新是许多行业新产品开发的基础，通常需要5-15年才能转化为商业产品，而渗透多个市场则需要更长的时间。

例如，剑桥显示技术公司（CambridgeDisplay Technology，CDT）是剑桥大学卡文迪什实验室（CavendishLaboratory）推出的一款专注于制造有机发光二极管（OLED）的产品，这家公司用了10年的时间才将首款产品-电子剃须刀显示器商业化；波士顿地区的纳米材料公司HyperionCatalysis International也遵循了10年的实验室到市场的上市时间表，最终将其碳纳米管增强聚合物复合材料运用在汽车燃油管路中商业化；来自西北大学的Nanosphere用了12年的时间才将世界上第一个脓毒症诊断技术商业化；NanoGram是硅谷的一家初创公司，用了8年时间将一种用于医用植入电池的高性能阴极材料商业化。在每一个创新公司实现第一批商业产品后，随着越来越多的设计师熟悉新材料，新行业的市场应用场景出现、认可，以及必要的补充性创新的实现，整体市场规模都在逐渐增长。

所有这些案例都表明新材料发明到商业应用的超长周期，这种超长的开发周期负面影响了投资者和潜在的合作伙伴在先进材料商业化方面投入时间和资金的意愿。然而，拥有相关领域专业知识的投资者会继续支持材料初创公司，同时优化策略来尽量减少市场和技术不确定性，加快商业化进程。在这篇论文中，我们讨论了先进材料商业化的挑战，并提供了潜在的解决方案。我们借鉴了学术和工业方面的经验，对100多家先进材料企业进行了仔细观察和分析，并就这一主题举办了一次国际型会议。

投资风险

为什么风险投资家和跨国公司会对先进材料初创企业投资？与软件风险投资相比，这项投资的挑战性实在要大得多，材料类的风险投资通常在很长一段时间内面临技术和市场的双重不确定性，以及在不确定性得到解决之前的高成本投入。先进材料投资通常面临的商业化成本、时间表、技术水平和市场的不确定性与生物技术投资大体相似，与软件行业投资面临的商业化成本、时间线和市场不确定性形成鲜明对比（表1）。对于生物技术而言，临床试验涉及的高昂费用和极高的技术不确定性，并且涉及医疗标准变化的市场风险。对于先进材料技术而言，高商业化成本涉及放大生产工艺以及定制产品的设计和开发。因此，与涉及开发新药的生物技术企业一样，开发新材料的企业往往在很长一段时间内面临高度不确定性，可能需要数亿美元才能使产品商业化。

技术不确定性。技术不确定性的原因相当清楚。即使在获得关键专利之后，将实验室技术转化为全面批量制造不总是行得通的，即便这样，在经济上也不一定可行。此外，材料通常还需要根据不同行业应用进行定制化开发，在不同的行业应用中，不同材料性能组合才是有价值的。例如，NanoGram的专有纳米材料制造工艺，为多种材料生产超小（5-200纳米）、均匀、高纯度的纳米材料，在替代能源、消费电子、生物医学和通信行业有着广泛的应用，所有这些应用都需要开发不同纳米材料；例如NanoGram的纳米银钒氧化物阴极材料使电池具有更高的能量密度，这为使用更小和更持久的可植入医疗设备提供了可能。然而，在汽车电池中对材料的要求就有所不同，比如更快的充电速度，NanoGram也可以针对这一点进行定制开发。为了满足市场需求，需要对不同材料和产品属性进行调制，例如通讯和太阳能电池用的光学元件。另外，不同材料和属性组合的功能性都需要得到规模化验证。

在市场的不确定性方面，先进材料初创企业面临独特的营销挑战鲜为人知。高度的市场不确定性与企业中上游目标行业价值链（参与生产和分销产品等一系列活动的公司）相关，同时也与新兴产品应用中互补创新的需求有关，实际上潜在的终端消费者通常无法观察或试用其产品发明。此外，高度的市场不确定性还和多元化市场中先进材料的应用息息相关。在接下来的内容中，我们将简要探讨以上存在的每一个因素。

产业链最上游因素。由于远离终端消费者，材料类公司很难评估消费者的需求，也很难对市场进行测试和反馈。例如，在HyperionCatalysis International将碳纳米管增强聚合物复合材料（图1，左）制成的汽车燃料管线的商业化过程中，典型的客户是组件供应商（在本例中为汽车供应商）和组装货物的原始设备制造商（在本例中为汽车制造商），他们需要被说服帮助设计出融入创新的产品。这些制造企业的设计师可能并不熟悉新材料的类别及其设计的可能性，或者他们可能会抵制损害其对现有专业技能变化的可能性。在HyperionCatalysis International的案例中，一家经验丰富的大型材料供应商与一家一级汽车供应商合作，设计了一条具有良好静态耗散的复合燃料管线，该管线具有同等强度和刚度，所需的成型步骤比其更换的钢制燃料管线要少的多。一级汽车供应商需要改变现有的动力传动系，增加紧固件，并进行工艺革新，使新材料替代品更具吸引力，来保持与材料供应商的密切关系。在医疗设备行业，NanoGramDevices公司面临着类似的设计和被采用方面的挑战（图1，右）。

图1|在价值链中的位置。在许多行业的价值链中（这里以汽车和医疗器械行业为例），材料创新者正在从上游（远离最终消费者的地方）将其技术商业化，这增加了市场的不确定性，并使技术的采用复杂化。原始设备制造商（OEM）很少是材料创新的发起者。

配套创新因素。这里有一个来自HyperionCatalysis International公司的补充性创新案例，他们将其聚合物复合燃料生产线商业化所需的最终产品重新设计（使产品可被市场接受的一系列相关调整工作），这正是先进材料发展必不可少的。例如，碳纤维大量采用依赖于聚合物复合材料制造的工艺创新，并要求最终在船舶、运动设备、汽车和航空航天应用中进行重大的设计变革。类似的是，在汽车和航空航天应用中采用聚合物复合材料结构，需要对零件进行集成设计，以达到成本效益（一个著名的例子是来自波音787梦想飞机的机身）。长期以来，质子交换膜燃料电池的长期目标是取代汽车的内燃机，但它仍需必要的基础设施来实现利用氢作为燃料，并降低催化剂成本和提高膜耐用性的工艺创新的需求。在材料创新的基础上，还要做配套的、补充的或互补的创新需求增加了市场的不确定性。

创新的可识别性因素。采用新材料必须需要承认它们所具有的相对优势。产品的营销研究成果表明，如果创新与现有实践相结合，并能够提供易解、易观察和方便建议的好处或优势，那么创新很可能被更快速地采用。然而，最具潜力的材料创新往往不是连续的，很难被客户直观理解。事实上，即使下游产品的原型已经开发完成，终端消费者也可能无法直观感受这种创新。

目标市场太不确定因素。更具有讽刺意味的是，先进材料创造价值的广度也可能增加市场的不确定性。先进材料企业通常针对多个行业（包括汽车、航空航天、消费电子、生物医学设备、建筑、发电、电信、运动设备和国防应用），必须尽早决定并优先考虑其目标市场和应用领域。这通常涉及到为几个不同行业的应用程序的性能属性，来收集有关客户的信息，了解管理或基础设施障碍，并尝试与联盟伙伴合作。选择一个最初的与技术和市场匹配的目标市场，这比软件企业的优先级别要高得多。软件企业虽然也开发通用技术，但可以更快、更轻松地进行转换。

风险投资策略

先进材料的投资时间表通常从突破性发明阶段开始，然后经过漫长的开发阶段，在这一阶段，需要逐渐实现商业化，直到最终产品被接受和取得收入（图2）。例如，Nanosphere在ChadMirkin教授实验室里的一项突破性发明经历了2000年至2006年的四轮风险投资，以及2007年的公共融资之后，直到2012年，将世界上第一个败血症诊断测试实现商业化才获得了产品收入。在这12年里，Nanosphere投入了3亿美元，而产品收益却只有500万美元。然而，投资者希望在公司解决流动性问题时（首次公开募股或收购）尽早退出，或希望在公司实现产品收入后退出。但市场匹配、技术开发、规模扩大和监管障碍是它的发展必然阶段，即便是在获得了产品收入之后，如果竞争对手开发出新的替代产品，市场仍存在不确定性。Nanosphere12年商业化时间并不是个案，许多先进材料企业的商业化阶段同样漫长。

如何缩短漫长的发展阶段，造福于企业？根据我们对先进材料企业的分析，以及一次关于加速先进材料商业化的国际峰会的成果，我们为企业提出了四项克服商业化挑战的战略：新材料孵化器、技术和市场结合，明确价值链中的战略定位和价值链中的有效联盟。这四种策略适用于从实验室到市场的时间线。

图2| 先进材料企业的风险投资阶段。处于种子期的金融投资，投资者可以在此期间进出自由，或者在较长时期内实现突破性技术的潜在价值。发展阶段包括市场优先化、制造业规模扩大、监管审批和补充性创新，时间跨度大。在此期间，企业可能会耗尽资金。先进材料企业的发展阶段往往超过了典型风险投资的发展阶段。一旦一家企业获得了第一批产品收入，它就有可能实现快速增长，并可能代表一个有吸引力的投资机会。图片由来自Pangaea Ventures的Chris Erickson提供。

新材料加速器/孵化器。加速器项目-比如硅谷越来越受欢迎的YCombinator项目。大多数加速器接受商业化阶段较短的初创企业，同时专注于网络、营销和商业指导方面。清洁技术和材料加速器是最近才出现的趋势，它解决了材料企业所面临的投资挑战。它们接受商业化阶段较长的初创企业，通常包括获得技术设备和专业技术对接。先进材料企业可以利用这种新型加速器来缓解技术和市场的不确定性的问题。例如，创新加速器CyclotronRoad，劳伦斯伯克利国家实验室和美国能源部的一项联合倡议，为一批科学家企业家提供了长达两年的机会，来减少其清洁技术创新理念的技术不确定性，利用劳伦斯伯克利国家实验室的世界级设备和科学专业知识，由经验丰富的科学家企业家指导，博士后基金提供资助。在荷兰的Geleen，化学跨国公司DSM和马斯特里赫特大学的设备和专业知识被用于新创建的智能材料创业训练营，这是一个先进材料商业化的三螺旋模型，由大学，制造业和政府之间的合作加强了生态系统方面的创新。Startupbootcamp智能材料的重点是指导科学家，企业家，并将他们和他们的技术与潜在的联盟伙伴、客户相匹配。在六个月的工作时间中，提供了一些资金以及工艺设备和规模化生产设施。非稀释性融资——例如通过小企业创新研究（SBIR）计划、国防高级研究计划署（DARPA）或高级研究计划署（ARPA-E）；)在美国和加拿大的加拿大可持续发展技术基金（SDTC）也可以帮助先进材料企业开发样品，减少技术不确定性，并对潜在的合作伙伴和投资者更有吸引力。

技术与市场匹配。早期的技术，市场匹配决策问题需要优先考虑。一般来说，较大的公司可以由内部团队通过战略市场细分、客户访谈和之后的市场选择进行可行性测试。由于小型企业在做出这种匹配决策的过程中拥有较少的资源、经验和人际网，它们可以利用先进材料孵化器的指导和网络活动来获得机会。麻省理工学院（MIT）院长RafaelReif提议建立“innovation orchards”-类似于三螺旋模型的材料加速器，但也可以包括非营利组织。以帮助将技术与市场相匹配，加快技术的采用，并进一步对科研人员、企业家进行商业化战略培训。麻省理工学院的科学家-企业家，如RobertLanger，他在技术和市场匹配方面拥有了很强的能力，这些能力可以被更广泛地造福大家。政府还可以通过赞助网络活动和资助项目，在促进技术与市场匹配方面发挥作用。一些赠款计划（如SDTC的技术基金）有意要求行业合作伙伴最终成为联盟合作伙伴或合资企业的客户。如果企业根据其技术属性、有利的行业生态系统和具有资产互补的联盟伙伴，优先考虑具有客户效用的初始行业和市场应用，那么它们将更具创造价值。在商业化周期中，开发未分化产品或未能将其技术与引人关注的初始应用相匹配，这样的初创公司还有漫长且艰难的道路要走。相反，有能力为客户解决重大且紧急问题的公司，实质上是在创造市场所需的吸引力。北京清华大学的一家分拆公司CnanoTechnology就是一个很好的例子，证明了这种极具吸引力市场的成功。CnanoTechnology的工艺创新使其能够制造低成本、高性能的多壁碳纳米管，从而能够满足锂离子电池电极对更好、更便宜的导电添加剂的需求。该公司与电池制造商合作，并通过增值产品向价值链上游发展，在成立仅四年后的2011年，公司的销售额就达到了数百万美元。

明确价值链中的定位。材料技术代表产业链最上游创新，而将其商业化通常远离最终消费者（图1）。在一个或多个行业的价值链上进一步向前整合，例如，成为汽车零部件供应商，甚至像特斯拉汽车那样成为汽车制造商，是高度资本密集。许多化工跨国公司都对一体化持抵制态度（因为这将让它们与客户产生竞争），只会以合资的形式考虑。汽车碳纤维就是一个例子，SGL集团与宝马集团合资设计和开发碳纤维增强聚合物汽车结构部件。如果零部件制造过程中存在技术不确定性，先进材料企业可能需要将集成推进零部件制造。CDT就是一个例子，他在向飞利浦证明自己可以生产有机发光二极管后，放弃了自己的制造战略。事实上，大型跨国公司通常比新公司更善于扩大生产规模。先进材料合资企业和跨国材料供应商的合资企业，将合资企业的突破性技术与老牌材料公司在扩大生产规模以建立制造厂方面的大量专业知识相结合，来缓解市场风险从而将新产品推向市场。资助联合产品开发是减少市场采用周期的另一个有效方法。专注于融资合作伙伴确定的特定产品有助于将价值链和监管问题最小化，并在成功开发产品的情况下开发现有的市场。为了平衡价值链上正向整合的成本和回报，创新企业可以正向整合到脱钩点，即知识可以被编码的点，以及过程或产品中的技术不确定性不再是限制因素的点。公司可以采取一种组织形式，使他们能够吸引更多的资金，分散风险，使他们能够在不止一个产业价值链中追求更好的商业化。风险投资还可以形成各种战略联盟，在价值链上建立影响力，并确保及时反馈以实现最佳产品开发。无论是在合资企业、技术许可协议还是其他形式的战略联盟中，这些伙伴关系都需要进行战略管理。

价值链中的有效联盟。随着跨国公司进一步向开放式创新和外部企业冒险迈进，有效的联盟伙伴关系对现有企业和先进材料企业都具有重要意义。许可知识产权（IP）是许多此类伙伴关系的关键部分。双赢联盟合作伙伴关系的潜在战略包括：根据使用领域、地理区域或特定时期，让新材料企业或合资企业向跨国联盟合作伙伴独家许可广泛的材料知识产权。排他性导致企业之间更自由地交换知识和隐性知识。将许可证限制在特定的前提或时间段有助于平衡初创新材料企业和跨国公司之间的权益，并更好协调它们的激励措施。知识产权战略对评估和良好的联盟伙伴关系都至关重要。在伙伴关系和企业冒险实践的战略时机方面，可以从生物技术和制药行业吸取经验教训。新材料初创企业还可以通过老牌企业的资助来获得产品开发项目上的收益。这是一个成功的战略方式，加快上市时间，为已开发的产品创造一个现成的市场。

建议

先进材料的创新能够为许多经济领域创造广泛的价值。虽然新材料或先进材料商业化周期一般是漫长且不确定的，但有一些行之有效的战略可以加快上市时间。我们在案例研究中的观察和在加速先进材料商业化国际峰会上收集到的相同意见，促使我们提出了四点建议，涵盖了从实验室到市场的这段时间。首先，通过使用加速器或孵化器，利用资本资源帮助快速验证技术的可行性和实用性；其次，在技术验证方面重要的是通过客户效用、行业生态系统和潜在的合作伙伴关系，让技术与初始目标市场相匹配；第三，有效的价值链定位，平衡潜在的价值，创新者的隐性知识与高资本要求，及价值链向最终消费者转移的阻力。第四，通过有针对性的战略伙伴关系进一步降低市场风险，通过与激励措施一致的知识产权战略来进行管理。政府可以在创建产业加速器/孵化器和早期非股权资金方面发挥作用，以支持新材料行业的知识产权保护和新产品开发。