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從石墨烯說起,如何加速新材料的商業化進程,別讓優點成為致命點

距2004年發現石墨烯已經過去15年,即使從2010年諾貝爾獎的轟動效應算起也已過去了10年,產業界應當認真思考中國石墨烯發展的來龍去脈、前因后果、經驗教訓,更重要的是相關企業家和核心研發人員要思考新材料或先進材料自身的發展規律,深刻理解新材料發展所必須經歷的過程。

前言

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產業升級與材料發展歷程

來源:“關鍵新材料創新突破的研究回顧與展望”,資源科學41(2019) 207。

材料是人類一切社會經濟發展和社會進步的基礎。人類文明的石器時代、銅器時代、鐵器時代和硅時代的遞進可以看到人類對材料認知和開發的重要性。回溯工業革命歷程可以發現每一次產業升級都伴隨著材料的創新與進步,如上圖所示。為了持續的科技進步,為了超越硅時代的摩爾定律,人類已經由“硅時代” 邁向“碳時代”。石墨烯、超導材料、納米材料等或將成為碳時代的關鍵材料。2015年10月23日,習近平主席參觀曼徹斯特大學國家石墨烯研究院時指出“在當前新一輪產業升級和科技革命大背景下,新材料產業必將成為未來高新技術產業發展的基石和先導,對全球經濟、科技、環境等各個領域發展產生深刻影響。

中國是石墨資源大國,也是石墨烯研究和應用開發最活躍的國家之一”(新華網)。2020年中國的石墨烯先行者們看到了突破的曙光,石墨烯在手機散熱、改性纖維、大健康、防腐和潤滑等領域不斷取得小范圍成功應用。距2004年發現石墨烯已經過去15年,即使從2010年諾貝爾獎的轟動效應算起也已過去了10年,產業界應當認真思考中國石墨烯發展的來龍去脈、前因后果、經驗教訓,更重要的是相關企業家和核心研發人員要思考新材料或先進材料自身的發展規律,深刻理解新材料發展所必須經歷的過程。新材料研發和商業可以適當加速,但很難跨越式發展,如果無視其必然規律,采用冒進的商業策略或激進的投資行為,或許會引發“后浪推前浪,前浪死在沙灘上”的循環。我們理解并翻譯了這篇發表在國際頂級學術期刊NatureMaterials上,講述如何加速新材料商業化進程的論文,分享給石墨烯同行、新材料從業者們。正如這篇論文中的一部分所指出的一樣,石墨烯應用范圍極其廣泛這一看似優點,卻可能成為初創企業運營混亂的致命點。每個石墨烯企業都需要選擇某個具體應用,聚焦并沉入到某個具體應用。

加速新材料商業化進程

原文標題:Acceleratingadvanced materials commercialization

原文出處:NatureMaterials 15 (2016) 487

商業化時間長、投資成本高和持續的不確定性阻礙了先進材料創新方面的資本投入。通過適當的策略,可以減少技術和市場的不確定性,從而加速先進材料的商業化。

先進材料類的初創企業,通常是從科研院所中孵化而來的,新材料和新工藝的創新及商業化越來越重要。隨著越來越多的化學和材料領域的跨國公司開始轉向開放式的創新模式,這些公司需要對激進的技術創新進行跟蹤,然后購買或許可使用這些創新技術。專注于突破性技術的先進材料初創企業為這些大公司提供了一個機會之窗,將很可能成為它們根本性創新的源泉。對大公司而言,這也是高風險的投資行為,因為從實驗室走向市場(lab-to-marketor lab-to-fab)的過程中面臨著嚴峻的挑戰。在先進材料方面的技術創新是許多行業新產品開發的基礎,通常需要5-15年才能轉化為商業產品,而滲透多個市場則需要更長的時間。

例如,劍橋顯示技術公司(CambridgeDisplay Technology,CDT)是劍橋大學卡文迪什實驗室(CavendishLaboratory)推出的一款專注于制造有機發光二極管(OLED)的產品,這家公司用了10年的時間才將首款產品-電子剃須刀顯示器商業化;波士頓地區的納米材料公司HyperionCatalysis International也遵循了10年的實驗室到市場的上市時間表,最終將其碳納米管增強聚合物復合材料運用在汽車燃油管路中商業化;來自西北大學的Nanosphere用了12年的時間才將世界上第一個膿毒癥診斷技術商業化;NanoGram是硅谷的一家初創公司,用了8年時間將一種用于醫用植入電池的高性能陰極材料商業化。在每一個創新公司實現第一批商業產品后,隨著越來越多的設計師熟悉新材料,新行業的市場應用場景出現、認可,以及必要的補充性創新的實現,整體市場規模都在逐漸增長。

所有這些案例都表明新材料發明到商業應用的超長周期,這種超長的開發周期負面影響了投資者和潛在的合作伙伴在先進材料商業化方面投入時間和資金的意愿。然而,擁有相關領域專業知識的投資者會繼續支持材料初創公司,同時優化策略來盡量減少市場和技術不確定性,加快商業化進程。在這篇論文中,我們討論了先進材料商業化的挑戰,并提供了潛在的解決方案。我們借鑒了學術和工業方面的經驗,對100多家先進材料企業進行了仔細觀察和分析,并就這一主題舉辦了一次國際型會議。

投資風險

為什么風險投資家和跨國公司會對先進材料初創企業投資?與軟件風險投資相比,這項投資的挑戰性實在要大得多,材料類的風險投資通常在很長一段時間內面臨技術和市場的雙重不確定性,以及在不確定性得到解決之前的高成本投入。先進材料投資通常面臨的商業化成本、時間表、技術水平和市場的不確定性與生物技術投資大體相似,與軟件行業投資面臨的商業化成本、時間線和市場不確定性形成鮮明對比(表1)。對于生物技術而言,臨床試驗涉及的高昂費用和極高的技術不確定性,并且涉及醫療標準變化的市場風險。對于先進材料技術而言,高商業化成本涉及放大生產工藝以及定制產品的設計和開發。因此,與涉及開發新藥的生物技術企業一樣,開發新材料的企業往往在很長一段時間內面臨高度不確定性,可能需要數億美元才能使產品商業化。

技術不確定性。技術不確定性的原因相當清楚。即使在獲得關鍵專利之后,將實驗室技術轉化為全面批量制造不總是行得通的,即便這樣,在經濟上也不一定可行。此外,材料通常還需要根據不同行業應用進行定制化開發,在不同的行業應用中,不同材料性能組合才是有價值的。例如,NanoGram的專有納米材料制造工藝,為多種材料生產超小(5-200納米)、均勻、高純度的納米材料,在替代能源、消費電子、生物醫學和通信行業有著廣泛的應用,所有這些應用都需要開發不同納米材料;例如NanoGram的納米銀釩氧化物陰極材料使電池具有更高的能量密度,這為使用更小和更持久的可植入醫療設備提供了可能。然而,在汽車電池中對材料的要求就有所不同,比如更快的充電速度,NanoGram也可以針對這一點進行定制開發。為了滿足市場需求,需要對不同材料和產品屬性進行調制,例如通訊和太陽能電池用的光學元件。另外,不同材料和屬性組合的功能性都需要得到規模化驗證。

在市場的不確定性方面,先進材料初創企業面臨獨特的營銷挑戰鮮為人知。高度的市場不確定性與企業中上游目標行業價值鏈(參與生產和分銷產品等一系列活動的公司)相關,同時也與新興產品應用中互補創新的需求有關,實際上潛在的終端消費者通常無法觀察或試用其產品發明。此外,高度的市場不確定性還和多元化市場中先進材料的應用息息相關。在接下來的內容中,我們將簡要探討以上存在的每一個因素。

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產業鏈最上游因素。由于遠離終端消費者,材料類公司很難評估消費者的需求,也很難對市場進行測試和反饋。例如,在HyperionCatalysis International將碳納米管增強聚合物復合材料(圖1,左)制成的汽車燃料管線的商業化過程中,典型的客戶是組件供應商(在本例中為汽車供應商)和組裝貨物的原始設備制造商(在本例中為汽車制造商),他們需要被說服幫助設計出融入創新的產品。這些制造企業的設計師可能并不熟悉新材料的類別及其設計的可能性,或者他們可能會抵制損害其對現有專業技能變化的可能性。在HyperionCatalysis International的案例中,一家經驗豐富的大型材料供應商與一家一級汽車供應商合作,設計了一條具有良好靜態耗散的復合燃料管線,該管線具有同等強度和剛度,所需的成型步驟比其更換的鋼制燃料管線要少的多。一級汽車供應商需要改變現有的動力傳動系,增加緊固件,并進行工藝革新,使新材料替代品更具吸引力,來保持與材料供應商的密切關系。在醫療設備行業,NanoGramDevices公司面臨著類似的設計和被采用方面的挑戰(圖1,右)。

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圖1|在價值鏈中的位置。在許多行業的價值鏈中(這里以汽車和醫療器械行業為例),材料創新者正在從上游(遠離最終消費者的地方)將其技術商業化,這增加了市場的不確定性,并使技術的采用復雜化。原始設備制造商(OEM)很少是材料創新的發起者。

配套創新因素。這里有一個來自HyperionCatalysis International公司的補充性創新案例,他們將其聚合物復合燃料生產線商業化所需的最終產品重新設計(使產品可被市場接受的一系列相關調整工作),這正是先進材料發展必不可少的。例如,碳纖維大量采用依賴于聚合物復合材料制造的工藝創新,并要求最終在船舶、運動設備、汽車和航空航天應用中進行重大的設計變革。類似的是,在汽車和航空航天應用中采用聚合物復合材料結構,需要對零件進行集成設計,以達到成本效益(一個著名的例子是來自波音787夢想飛機的機身)。長期以來,質子交換膜燃料電池的長期目標是取代汽車的內燃機,但它仍需必要的基礎設施來實現利用氫作為燃料,并降低催化劑成本和提高膜耐用性的工藝創新的需求。在材料創新的基礎上,還要做配套的、補充的或互補的創新需求增加了市場的不確定性。

創新的可識別性因素。采用新材料必須需要承認它們所具有的相對優勢。產品的營銷研究成果表明,如果創新與現有實踐相結合,并能夠提供易解、易觀察和方便建議的好處或優勢,那么創新很可能被更快速地采用。然而,最具潛力的材料創新往往不是連續的,很難被客戶直觀理解。事實上,即使下游產品的原型已經開發完成,終端消費者也可能無法直觀感受這種創新。

目標市場太不確定因素。更具有諷刺意味的是,先進材料創造價值的廣度也可能增加市場的不確定性。先進材料企業通常針對多個行業(包括汽車、航空航天、消費電子、生物醫學設備、建筑、發電、電信、運動設備和國防應用),必須盡早決定并優先考慮其目標市場和應用領域。這通常涉及到為幾個不同行業的應用程序的性能屬性,來收集有關客戶的信息,了解管理或基礎設施障礙,并嘗試與聯盟伙伴合作。選擇一個最初的與技術和市場匹配的目標市場,這比軟件企業的優先級別要高得多。軟件企業雖然也開發通用技術,但可以更快、更輕松地進行轉換。

風險投資策略

先進材料的投資時間表通常從突破性發明階段開始,然后經過漫長的開發階段,在這一階段,需要逐漸實現商業化,直到最終產品被接受和取得收入(圖2)。例如,Nanosphere在ChadMirkin教授實驗室里的一項突破性發明經歷了2000年至2006年的四輪風險投資,以及2007年的公共融資之后,直到2012年,將世界上第一個敗血癥診斷測試實現商業化才獲得了產品收入。在這12年里,Nanosphere投入了3億美元,而產品收益卻只有500萬美元。然而,投資者希望在公司解決流動性問題時(首次公開募股或收購)盡早退出,或希望在公司實現產品收入后退出。但市場匹配、技術開發、規模擴大和監管障礙是它的發展必然階段,即便是在獲得了產品收入之后,如果競爭對手開發出新的替代產品,市場仍存在不確定性。Nanosphere12年商業化時間并不是個案,許多先進材料企業的商業化階段同樣漫長。

如何縮短漫長的發展階段,造福于企業?根據我們對先進材料企業的分析,以及一次關于加速先進材料商業化的國際峰會的成果,我們為企業提出了四項克服商業化挑戰的戰略:新材料孵化器、技術和市場結合,明確價值鏈中的戰略定位和價值鏈中的有效聯盟。這四種策略適用于從實驗室到市場的時間線。

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圖2| 先進材料企業的風險投資階段。處于種子期的金融投資,投資者可以在此期間進出自由,或者在較長時期內實現突破性技術的潛在價值。發展階段包括市場優先化、制造業規模擴大、監管審批和補充性創新,時間跨度大。在此期間,企業可能會耗盡資金。先進材料企業的發展階段往往超過了典型風險投資的發展階段。一旦一家企業獲得了第一批產品收入,它就有可能實現快速增長,并可能代表一個有吸引力的投資機會。圖片由來自Pangaea Ventures的Chris Erickson提供。

新材料加速器/孵化器。加速器項目-比如硅谷越來越受歡迎的YCombinator項目。大多數加速器接受商業化階段較短的初創企業,同時專注于網絡、營銷和商業指導方面。清潔技術和材料加速器是最近才出現的趨勢,它解決了材料企業所面臨的投資挑戰。它們接受商業化階段較長的初創企業,通常包括獲得技術設備和專業技術對接。先進材料企業可以利用這種新型加速器來緩解技術和市場的不確定性的問題。例如,創新加速器CyclotronRoad,勞倫斯伯克利國家實驗室和美國能源部的一項聯合倡議,為一批科學家企業家提供了長達兩年的機會,來減少其清潔技術創新理念的技術不確定性,利用勞倫斯伯克利國家實驗室的世界級設備和科學專業知識,由經驗豐富的科學家企業家指導,博士后基金提供資助。在荷蘭的Geleen,化學跨國公司DSM和馬斯特里赫特大學的設備和專業知識被用于新創建的智能材料創業訓練營,這是一個先進材料商業化的三螺旋模型,由大學,制造業和政府之間的合作加強了生態系統方面的創新。Startupbootcamp智能材料的重點是指導科學家,企業家,并將他們和他們的技術與潛在的聯盟伙伴、客戶相匹配。在六個月的工作時間中,提供了一些資金以及工藝設備和規模化生產設施。非稀釋性融資——例如通過小企業創新研究(SBIR)計劃、國防高級研究計劃署(DARPA)或高級研究計劃署(ARPA-E);)在美國和加拿大的加拿大可持續發展技術基金(SDTC)也可以幫助先進材料企業開發樣品,減少技術不確定性,并對潛在的合作伙伴和投資者更有吸引力。

技術與市場匹配。早期的技術,市場匹配決策問題需要優先考慮。一般來說,較大的公司可以由內部團隊通過戰略市場細分、客戶訪談和之后的市場選擇進行可行性測試。由于小型企業在做出這種匹配決策的過程中擁有較少的資源、經驗和人際網,它們可以利用先進材料孵化器的指導和網絡活動來獲得機會。麻省理工學院(MIT)院長RafaelReif提議建立“innovation orchards”-類似于三螺旋模型的材料加速器,但也可以包括非營利組織。以幫助將技術與市場相匹配,加快技術的采用,并進一步對科研人員、企業家進行商業化戰略培訓。麻省理工學院的科學家-企業家,如RobertLanger,他在技術和市場匹配方面擁有了很強的能力,這些能力可以被更廣泛地造福大家。政府還可以通過贊助網絡活動和資助項目,在促進技術與市場匹配方面發揮作用。一些贈款計劃(如SDTC的技術基金)有意要求行業合作伙伴最終成為聯盟合作伙伴或合資企業的客戶。如果企業根據其技術屬性、有利的行業生態系統和具有資產互補的聯盟伙伴,優先考慮具有客戶效用的初始行業和市場應用,那么它們將更具創造價值。在商業化周期中,開發未分化產品或未能將其技術與引人關注的初始應用相匹配,這樣的初創公司還有漫長且艱難的道路要走。相反,有能力為客戶解決重大且緊急問題的公司,實質上是在創造市場所需的吸引力。北京清華大學的一家分拆公司CnanoTechnology就是一個很好的例子,證明了這種極具吸引力市場的成功。CnanoTechnology的工藝創新使其能夠制造低成本、高性能的多壁碳納米管,從而能夠滿足鋰離子電池電極對更好、更便宜的導電添加劑的需求。該公司與電池制造商合作,并通過增值產品向價值鏈上游發展,在成立僅四年后的2011年,公司的銷售額就達到了數百萬美元。

明確價值鏈中的定位。材料技術代表產業鏈最上游創新,而將其商業化通常遠離最終消費者(圖1)。在一個或多個行業的價值鏈上進一步向前整合,例如,成為汽車零部件供應商,甚至像特斯拉汽車那樣成為汽車制造商,是高度資本密集。許多化工跨國公司都對一體化持抵制態度(因為這將讓它們與客戶產生競爭),只會以合資的形式考慮。汽車碳纖維就是一個例子,SGL集團與寶馬集團合資設計和開發碳纖維增強聚合物汽車結構部件。如果零部件制造過程中存在技術不確定性,先進材料企業可能需要將集成推進零部件制造。CDT就是一個例子,他在向飛利浦證明自己可以生產有機發光二極管后,放棄了自己的制造戰略。事實上,大型跨國公司通常比新公司更善于擴大生產規模。先進材料合資企業和跨國材料供應商的合資企業,將合資企業的突破性技術與老牌材料公司在擴大生產規模以建立制造廠方面的大量專業知識相結合,來緩解市場風險從而將新產品推向市場。資助聯合產品開發是減少市場采用周期的另一個有效方法。專注于融資合作伙伴確定的特定產品有助于將價值鏈和監管問題最小化,并在成功開發產品的情況下開發現有的市場。為了平衡價值鏈上正向整合的成本和回報,創新企業可以正向整合到脫鉤點,即知識可以被編碼的點,以及過程或產品中的技術不確定性不再是限制因素的點。公司可以采取一種組織形式,使他們能夠吸引更多的資金,分散風險,使他們能夠在不止一個產業價值鏈中追求更好的商業化。風險投資還可以形成各種戰略聯盟,在價值鏈上建立影響力,并確保及時反饋以實現最佳產品開發。無論是在合資企業、技術許可協議還是其他形式的戰略聯盟中,這些伙伴關系都需要進行戰略管理。

價值鏈中的有效聯盟。隨著跨國公司進一步向開放式創新和外部企業冒險邁進,有效的聯盟伙伴關系對現有企業和先進材料企業都具有重要意義。許可知識產權(IP)是許多此類伙伴關系的關鍵部分。雙贏聯盟合作伙伴關系的潛在戰略包括:根據使用領域、地理區域或特定時期,讓新材料企業或合資企業向跨國聯盟合作伙伴獨家許可廣泛的材料知識產權。排他性導致企業之間更自由地交換知識和隱性知識。將許可證限制在特定的前提或時間段有助于平衡初創新材料企業和跨國公司之間的權益,并更好協調它們的激勵措施。知識產權戰略對評估和良好的聯盟伙伴關系都至關重要。在伙伴關系和企業冒險實踐的戰略時機方面,可以從生物技術和制藥行業吸取經驗教訓。新材料初創企業還可以通過老牌企業的資助來獲得產品開發項目上的收益。這是一個成功的戰略方式,加快上市時間,為已開發的產品創造一個現成的市場。

建議

先進材料的創新能夠為許多經濟領域創造廣泛的價值。雖然新材料或先進材料商業化周期一般是漫長且不確定的,但有一些行之有效的戰略可以加快上市時間。我們在案例研究中的觀察和在加速先進材料商業化國際峰會上收集到的相同意見,促使我們提出了四點建議,涵蓋了從實驗室到市場的這段時間。首先,通過使用加速器或孵化器,利用資本資源幫助快速驗證技術的可行性和實用性;其次,在技術驗證方面重要的是通過客戶效用、行業生態系統和潛在的合作伙伴關系,讓技術與初始目標市場相匹配;第三,有效的價值鏈定位,平衡潛在的價值,創新者的隱性知識與高資本要求,及價值鏈向最終消費者轉移的阻力。第四,通過有針對性的戰略伙伴關系進一步降低市場風險,通過與激勵措施一致的知識產權戰略來進行管理。政府可以在創建產業加速器/孵化器和早期非股權資金方面發揮作用,以支持新材料行業的知識產權保護和新產品開發。

本文來自DT材料之聲,本文觀點不代表石墨烯網立場,轉載請聯系原作者。

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