生物、化学、物理等实验用仪器都是由谁来设计并开发出来的？科学家在这里的角色类似于产品经理吗？

风云

一直很好奇，像 PCR 呀，质谱仪呀，粒子对撞机呀这些实验仪器是怎么被开发出来的，是科学家提供一个 idea，然后机械工程师来帮忙实现？我知道有精密仪器专业，但最早设计这些仪器使用功能的人都是科学家吗？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/41204241

卡卡

谢邀。
我感觉科研用仪器(小型仪器，非对撞机这种大型工程)其实大约分为三种，而且相互之间是一步步发展起来的的，以散射式近场扫描光学显微镜(s-NSOM)为例来简要介绍一下：
1. 自行搭建系统阶段。新的实验和测试方法的出现，某个或几个实验室自行搭建的测试系统。这个阶段是发论文的重要时期，而且往往是影响力很大的论文，例如s-NSOM就是几个实验室的科学家提出来了一种新的测试方法，实验搭建了一下发现确实可行，论文发在了Nature还是Science记不清了，轰动了业界。
这个阶段物理原理是核心，系统都是自己搭建的，有些机械或者软件方面或许会找其他方协助。
2. 半成品独家销售阶段。德国一个实验室的科学家也是s-NSOM的发明者之一，他们发现自己发现的这种新的测试方法竟然如此受重视，于是开了公司，对测试系统进行了完善，例如开发了相应的软件、加了外壳之类的，成立了公司开始售卖。
售卖的方式也很特别，里面除了外壳和软件是他们自己做的，其他所有器材全部都是买的现成的光学器件。他们会派一个工程师过来，现场给你把系统从无到有搭建起来，然后教你用。
这个阶段，物理原理大家已经都清楚，就开始卖技术了。一大堆散件手动搭建成系统，价格翻了不知道多少倍。而且光路那叫一个复杂，稍微有一点不对，整套系统就不工作了。经常出现工程师今天走，系统明天就不出结果的情况。但是大家也都会接受，因为除了他们家，全世界没有第二家卖这种仪器。
这个阶段设备从硬件到软件都有极大的自主权，会涌现出不少有些高学历的仪器使用者，对其进行二次开发。
3. 百花齐放、百家争鸣的阶段。过了第二阶段，大家原理和技术上基本摸透，开始对其进行改进，封装成成型的仪器，也就是日常使用的商用科研仪器了。
这个阶段会出现很多公司进行仪器开发，并且用户体验变得最重要，稳定性和可靠性提高了很多，并且会发展出一系列的型号，实现不同功能、不同精度，实实在在成为了一款产品。大家实验室里用到的大多数都是这一类产品。
当然了这是我的理解，欢迎讨论。

卡卡

能买则买，不能则造，买不如造。

在粒子物理实验领域，比如加速器(例如粒子对撞机)在建设的时候有建设指标，每个部件要达到指定的设计指标。
如果该部件在市场上有现成的，满足指标要求，而且价格还可以接受，那么买。
如果该部件在市场上没有满足要求的，或者很贵，甚至市场上根本没有，那么实验室自己做。所谓自己做，一般是由实验室设计甚至要提供相关技术，然后交给企业负责生产。
中国有些实验室因为经费少，还会选择低价购买国外实验室淘汰的设备……

对于加速器和探测器来说，有时候你想跟其他现有的加速器和探测器竞争，那么在关键性能上必须要超过其他人，市场上很难有现成的东西，必须自己做了。

举个粒子物理实验的例子，中国的大亚湾中微子实验抢在韩国人和欧洲人之前，在2012年测到了中微子物理的基本常数之一theta13角。
受此鼓舞，中国目前正在建设大亚湾中微子实验的二期工程——江门中微子实验，中微子探测的关键部件之一是高性能的光电倍增管，用于探测极微量的光子。国际上高性能光电倍增管的制造被日本滨松光子学株式会社垄断，中科院高能物理研究所的研究员曹俊说，

粒子物理实验的核心竞争力在于探测器的设计与建造。与神冈实验同时代的美国IMB实验，由雷因斯（因1956年发现中微子而获1995年诺奖）领导，也探测到了超新星中微子，但神冈实验得以升级成超级神冈，而IMB则就此散伙，其中一个重要原因是日本会做20英寸光电倍增管，因此实验成本大大低于只会做5英寸管的美国。20英寸管正是铃木厚人研制出来的。日本滨松是唯一批量生产过20英寸管的公司，后来打垮了欧洲的竞争者Photonics和ET，基本上垄断了光电倍增管市场。诺贝尔奖网站上有一张照片，就是小柴昌俊抱着20英寸光电倍增管。

中微子实验需要很多很多的光电倍增管，看看日本的超级神冈中微子探测器感受一下(照片左边是3个小白人)：



中国的江门中微子实验也需要大量的光电倍增管，而光电倍增管被日本滨松垄断了，是花大钱买他们的产品，还是怎么办？
自己造！为此，我们的科学家跑遍了全国的高校和企业等等单位，发展制作光电倍增管的关键技术并实现批量生产，最后成功了。【科技日报】江门中微子实验关键技术攻克

12月16日，“江门中微子实验20吋光电倍增管采购合同签约仪式”在中科院高能物理研究所举行。按合同约定，中国兵器工业集团北方夜视技术股份有限公司，将在3年内为江门中微子实验生产1.5万支拥有完全自主知识产权的20吋光电倍增管。此前，这一部件全世界只有日本的一家公司能生产。
　　江门中微子实验负责人王贻芳介绍说，光电倍增管是粒子物理及核物理实验的通用部件，它的作用是将光信号转化为电信号。这次国产部件合同涉及金额2亿多元人民币，是高能物理所建所以来最大的单批货物采购。
　　早在2008年大亚湾反应堆中微子实验工程建设期间，高能物理所就启动了大亚湾二期（现更名为“江门中微子实验”）关键器件——光电倍增管的预研，希望实现国产化。当时的项目筹备组先后与国内许多单位进行洽谈和合作。2011年成立了由高能物理所牵头，北方夜视技术股份有限公司、中国科学院西安光学精密机械研究所、中核控制系统股份有限公司和南京大学组成的研制合作组。历时4年，攻克了高量子效率的光阴极制备技术、微通道板、大尺寸低本底玻壳、以及真空光电子器件封装技术等多个技术难点，研制出量子效率、收集效率和单光电子峰谷比等关键技术指标达到国际先进水平的样管，拥有完全自主知识产权，并进入工程化和批量生产准备阶段。这一成功提升了国内企业在超大型电真空器件的研制和批量生产的能力。高能物理所曹俊研究员认为，这次攻关成功有很好的示范意义，不亚于大亚湾的成功。

上图来自曹俊研究员：中国科学家打破日本人垄断，成功研制出自己的20英寸光电倍增管。



上图是高能所和北方夜视的签约仪式，会议桌上放着两个金光闪闪的20英寸光电倍增管。

评论中有网友比较关心价格和质量问题，在这里插入一些补充：
2015年，北方夜视为中科院高能所生产15000个20吋光电倍增管，合同总金额2.7亿人民币，每个价格约为18000元人民币。(参考：打破国外技术垄断 填补国内空白 夜视集团)
2001年，滨松为日本本土的超级神冈实验生产的20吋光电倍增管，每个价格约为3000美元，按当年1美元≈8.27人民币，每个价格约为24800元人民币。出口给中国的话，价格应该只会更高不会更低。(参考：http://physicsworld.com/cws/article/news/2001/nov/15/accident-grounds-neutrino-lab)
还是自己造划算，其性能也完全能满足江门中微子实验的灵敏度要求。
至于说为什么美国人的IMB中微子实验被日本人打垮了，确实是因为美国人造不出20英寸管，美国人只会造5英寸管，灵敏度没有20英寸管好，IMB实验因此竞争不过日本的神冈实验。
你也许会问那为何美国人不买日本人的光电倍增管把IMB实验继续下去？大抵是因为IMB与神冈实验存在竞争，日本滨松肯定是优先供应本国的实验，等美国人能买到东西的时候，日本人的神冈早已经抢先升级成超级神冈。

在高精尖的仪器方面，有时候由于国外对中国禁售，导致国内研究落后国外很多年，相信很多做科研的朋友都有经历或耳闻。
中国老百姓更为熟悉的应该是航空发动机的故事，每当有新闻说中国研制出某某新型号飞机的时候，新闻下的评论总会有人讽刺说“然而你国造不出好的发动机”。突破需要积累，希望网民们少些挖苦多些鼓励，中国的研究者们恐怕比谁都着急啊。

现在，尽管比日本晚了将近20年，但我们还是造出了自己的20吋光电倍增管，从此不再受制于人。依托大型科学装置的实验项目，我们不仅能够在基础研究领域获得一席之地，也能在研制相关仪器的过程中掌握自主创新的核心技术，带动国家相关产业的发展。

粒子物理是最重要的科学前沿之一。中国的大亚湾实验已在该领域取得世界瞩目的重大成果，发现了中微子第三种振荡模式，打开了理解反物质消失之谜的大门。江门中微子实验将解决国际中微子研究中下一个热点和重大问题：中微子质量顺序，同时可以进行其他丰富的物理研究。它将巩固中国在中微子研究领域的领先地位，成为国际中微子研究的中心之一。
(完)

继续前进

这个问题也是有点隔行如隔山的。现在成熟的商业仪器，比如题主问到的 PCR 和 MS，还有NMR，FTIR，UV-vis 等等，基本都是企业在做制造、研发和改进，基础研究的实验室里要用买就行了。
但如果题主要追溯说这些仪器最早的起源，大多应该还是在基础研究实验室中，为了某种特定的实验目的，或者验证某个理论家提出的理论，手工搭出来的。事实上，现在很多基础研究的实验室，比如光谱学实验室，研究人员就仍旧自己搭仪器来实现特殊的需求，并且会将新搭建的仪器专门写成论文发表。仪器的零部件通常都是可以找到商业化的产品的，比如各种真空部件、电子电路、光学元件、光源、探测器等等。但是，为了实现某种特殊的实验目的，研究人员需要将这些部件创新性地组合到一起，并且可能需要定制一些部件。小的定制可能可以直接在本地实验室中制作，比如打孔焊电路什么的；复杂一点的就用软件做出设计图，交付精工车间去制作。这些自己定制的实验装置，就经常是电线到处乱窜的样子（因为通常不需要考虑商业化中的紧凑化、外形设计、保护措施、用户交互等等，只要能用就行了）
【图片来自
Stewart E. Novick 的实验室，气象光谱学标配，不过他这个真空室真够大的】


我自己的手活是很差的……只会打打孔。这算是我自己做的比较复杂的小东西了吧。你看我还不小心把 taper 折断在里面了，真是丢人。肯定是要被工科同学笑话的。其他部件基本都是买的，或者交车间去做的。我觉得一个实验室的手工能力可能是一个传统传承的问题，年代比较久、并且老板自己比较会动手的就会比较强。学生如果都是从小从玩具拆到汽车的，本身喜欢鼓捣新东西，也会给实验室带来更多的手工制作元素。



AIP 的这本杂志就专门发表各种仪器装置，历史很悠久了。
Review of Scientific Instruments 你不要看它 IF 2.0 都不到，很多改变整个领域研究方式的重大进展都发在这上面的。


我们实验室人手一本的入门工具书，从认识各种材料和各种尺寸的钻头螺丝开始，切片打孔、真空系统、电路系统、光学系统……应有尽有。


所以每个做实验物理学的学生动手能力都是很强哒！上得厅堂下得厨房。
比较有钱的大实验组有的时候会专门聘请工程师来负责实验室中的部件设计和定制。这种组比较壕，没钱的组通常就只能压榨可怜的 PHD 自己上了。
实验科学家和工程师的区别可能在于，实验科学家啥都知道一点，但不精。实验科学家去设计仪器部件的时候，不光要考虑工程上的制作难度和强度，更要做很多理论计算，比如计算设想中实验部件的光学性质、电学性质、流体力学性质等等，是否能够符合实验的需要。工程师应该会考虑到更专业更细节方面的事情吧，比如某个特定的形状到底怎么制作出来、保证精度啥的；电气工程师会考虑电子原件的各种特性曲线、响应、带宽、噪声什么的，实验科学家可能只要读懂部件的参数然后选合适的来用就可以了，不一定需要明白具体怎么实现这些参数。

检验医师

谢邀，我个人觉得开发科学仪器的贡献要比其他的科研要重要。因为一个工具的开发经常就意味着拓展出一个新的领域，意味着人类更加的强大，可以触及到了以前触及不到的范围。一般开发出重要仪器的科学家都拿到诺贝尔奖了，或者快拿到诺奖了，或者比诺奖的更伟大。例子太多，举几个主要的，然后慢慢补充。
1. 牛顿: 棱镜分光，可以用来测光谱。
2. 胡克：显微镜，伟大。
3.伦琴：X 射线 (诺贝尔)
4.布拉格：X射线研究晶体(诺贝尔)
5.Francis Willian Aston:质谱仪(诺贝尔)
6.威尔逊：云室(诺贝尔)
7. 劳伦斯：回旋加速器(诺贝尔)
8.Frits Zernike：相差显微镜(诺贝尔)
9.梅曼：激光器
10. Ernst Ruska: 电子显微镜(诺贝尔)
11. Gerd Binnig and Heinrich Rohrer：扫描隧道显微镜，原子力显微镜(诺贝尔)
12. Allan M. Cormack： CT,X射线计算机断层扫描(诺贝尔)
13. Arthur L.Schawlow，激光光谱仪(诺贝尔)
14. Kip Thorne et al. :LIGO 引力波探测(过几年，可能明年的诺贝尔)
15.迈克尔逊：干涉仪，LIGO的思路来源。
16. 伽利略：天文望远镜

检验医师

谢邀。作为分析化学专业中天天编程和折腾电子设备，不碰化学药品，常常被人认为不算化学人的学渣来斗胆答一个，拒绝转载。
（好不容易有一个我能答的分析化学方面的问题了）
题主问题的简单版回答：是的。基本上的路线都是：scientist的idea，engineer来实现。
我所在的普渡大学的化学系有专门的Jonathan Amy Facility for Chemical Instrumentation（JAFCI），这个部门的成员是背景并不完全相同但是相辅相成的一些科学家和工程师：
Jonathan Amy Facility for Chemical Instrumentation



照片摄于2012年，拍得不清楚，以后有机会补新图吧。他们是一群电子工程师、软件工程师、网络工程师等等精通各类技术的工作人员，继续细分有精通质谱仪（学校强项）、精通拉曼光谱仪、精通红外光谱仪等等仪器的使用、维护、保养、改造等方面工作的专家。除JAFCI之外，我们还有专门的Precision Machine Shop负责根据需求专门的进行各种材料和原件的制造、改装和加工，Scientific Glass Blowing Lab负责特殊玻璃仪器的吹制等等。这些专家不仅为整个化学系购买的各种科研用的仪器设备提供日常的训练教学、维护保养等工作，同时还可以根据各个实验室提出的不同需求，改造购买的仪器，或者从头开始设计制造新型仪器的各个部件，从而帮助各个课题组搭建满足自己特殊需求的仪器。这些实验室自行搭建的仪器，你可以看作是新型分析仪器的concept或者prototype，它们在未来很有可能就会成为完全商业化的新的分析设备。而这些新型分析仪器背后的最基本的物理化学方面的理论建立等等，最初都是由各个课题组里的scientist提出的。
以我们实验室为例，我们课题组是以非线性光学为主要研究内容的实验室，自行设计和搭建非线性光学显微镜系统等仪器。当有了一个设计思路之后，我们便会在光学防震桌上开始光路的搭建。我们可能会选择直接购买一些实用的部件，小到移动样品的motion controller，大到完整的光学显微镜系统，然后根据需求进行改装。没有办法直接购买的组件，我们会请求JACFI等系里的专家帮忙。我们将这些部件进行整合，在光学防震桌上实现我们最初的思路。之后在JAFCI的支持之下，我们完成各种电子控制单元的设计，并且和数据采集的计算机进行连接，同时也要完成软件方面相应的开发，这就完成了整个仪器的设计和搭建了。所以如果你来到我们实验室，会发现光学防震桌上大大小小的平面镜、滤镜、光圈等等摆的非常复杂，其实这就是一个新型仪器的prototype了。在这个过程当中，我们并不是撒手给一张设计图纸交给工程师，工程师便会帮我们实现的。我们也需要和这些工程师保持沟通，主动的参与到仪器以及仪器的各个部件的设计和开发工作中去，确保我们的想法能够得到准确的实施。相对的，工程师们在协助我们进行新型仪器的设计的时候，也会根据他们的知识和经验，提出对于我们的整体实验方案的改进意见，在我们遇到困难、故障、bug的时候提供支持和解决思路等等，我们在这个过程中也能学到很多东西。
在有了这个prototype之后，下面主要工作便是选择合适的样品进行实验（我个人经常忽视这一步，然而这一步至关重要）采集数据，自行编写程序或者寻求其他数据科学家、电子工程师的帮助进行数据的分析处理，公布我们的结果，向学界证明我们的新的分析方法首先是可行的，可以找到已经相对完善的其他分析手段（如拉曼、X射线衍射等）进行对比参照。其次是要证明我们的新方法对于解决实际的化学、生物、医学、制药等问题能够有切实的实际价值和应用前景，例如对于解决以往一直困扰制药公司的有效药物成分结晶程度的分析问题有重要帮助等。而于此同时，我们还会相应的开发新的数据分析和图像重建算法，进一步让我们的分析手段更加强大。通过这样的过程，我们可以展开如申请新的科研经费、开始新的科研项目、寻找新的合作者、拓展新的研究领域等一系列活动，我们自己也会在手上这个prototype上不断尝试新的点子，充分利用时间空间，在同样一片区域同时进行多个科研项目，不断推进我们的信噪比、检测限、成像速度等等，让我们做的工作更加有竞争力和吸引力。




由于经常有很多点子要尝试，我们也会同时在不同的系统上同时开发不同的功能，一些设备也是从一台机器上拔下来又插到另一台机器上去，很少能有线缆特别清晰的时候。我突然发现我从来没有给我们的光路拍过照片，所以就不上图了。
我们实验室目前有一个idea已经成功和公司进行合作实现了商业化，已经有成品的显微镜系统可以直接购买。这个过程我个人没有经历过，所以对于如何寻求这样的合作所知不多。从实验室光学防震桌上的prototype变成商业化的仪器，需要进行更多的开发、测试工作。用我比较熟悉的软件方面举例，在prototype上我们可以不同的电子控制单元一个单独的LabView程序进行控制，然后用Matlab这样的随时可以改动源代码的程序进行数据采集和分析，遇到了问题可以直接调整代码，我们也可以直接接触到所有能够修改的参数。但是这样的粗劣设计是没有办法直接拿去商业化的。在从prototype到商业化的过程中，需要保证用户界面的友好，首先软件需要是一个完整的整体，而不能是碎片一般的一个独立的程序控制一个独立的元件，让用户自己琢磨彼此之间的关系。而且需要保证一般用户无需接触的部分对用户隐藏，一些核心的算法等内容不能让用户看见，用户不应当触碰到的光学元件或者电子元件也需要用工程方法隐藏保护起来，等等。但是这些细致繁琐复杂的过程，一般来说就不是scientists需要考虑的内容了。



这是分析仪器厂商Formulatrix官方网站的一个页面，这里显示的SONICC系统便是我们实验室课题的商业化成果。