美国国防先进研究计划局，如何成为美国科技的核心引擎？
DARPA资助一项造型奇特的特超音速飞行器，其速度是声音速度的5倍，图片来自darpa.mil
编者按
撰文 | 刘少山（PerceptIn创始人、IEEE杰出科学家）
责编 | 叶水送
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在美国崛起的过程中，国防先进研究计划局（DARPA）在推动美国科技与经济发展中发挥了决定性作用，这是美国保持其全球竞争力的关键因素。在本文中，笔者将研究DARPA是如何孵化与交付突破性技术，以及这些突破性技术对美国经济的深远影响。笔者还将DARPA的孵化成果与一些世界领先的技术风险投资公司进行了比较，并总结出DARPA成功的原因及其运作机制。
美国国防先进研究计划局的时代背景
2018年，在中国科学院第十九次院士大会、中国工程院第十四次院士大会的讲话中，习总书记强调“瞄准世界科技前沿引领科技发展方向抢占先机迎难而上建设世界科技强国”。
在中国建设世界科技强国的新时代背景下，美国国防先进研究计划局是如何通过长期孵化先进技术推动美国科技与经济发展的，这对中国科技业的发展策略有可借鉴之处。
第二次世界大战之后，美国趁机强势崛起，成为世界格局中主要的经济、文化、政治和科技力量。在美国崛起的过程中，DARPA在推动科技与经济发展中发挥了决定性作用，这是美国保持其全球竞争力的关键因素 [1]。在过去60年中，DARPA为突破性技术的孵化建立了完善的创新、开发以及商业化应用渠道，从而不断推动美国经济的增长。
我们将探讨DARPA在突破性技术孵化方面取得持续成功的原因，而这些突破性技术正是美国持续保持技术创新领先地位的源动力。为此，笔者研究了DARPA的运营模式，特别是DARPA的项目管理和人才管理的工作方式。此外，还研究了DARPA孵化出的科技项目对美国以及世界经济产生的深远影响。由于DARPA是美国核心科技的孵化引擎，笔者对DARPA与世界领先的科技风险投资公司进行了比较。最后，根据对DARPA的成功经验的总结，笔者为我国高速发展中的科技企业提供了一些管理和组织建议。
DARPA：突破性技术发展的引擎
DARPA的起源可以追溯到1957年美国的人造卫星发射项目，从那时起美国就致力于成为全球战略技术进步的领导者。DARPA的研究成果不仅包括改变大国游戏规则的军事能力，如精密武器和隐身技术等，还包括许多现代商业和民用技术，如互联网、自动语音识别和语言翻译以及全球定位系统（GPS）等 [3]。接下来，我们将探讨DARPA在突破性技术方面取得持续成功的原因，这些突破性技术正是美国持续保持技术创新领先地位的源动力。
项目选择：DARPA始终追求变革性技术创新，DARPA的许多项目经历了数十年的孵化期，产生了包括互联网和GPS在内的革新性高科技技术，这些技术改变了整个社会的大多数日常生活。
协作机制：DARPA设计了良好的协作机制，建立了包括学术组织、科技公司和政府合作伙伴在内的创新生态系统。DARPA的开放性吸引了大批顶尖人才为转型技术的发挥在那和创新持续贡献力量。
JASON：国防咨询小组（简称JASON），这是一个独立且相对秘密的委员会，于1960年正式成立，旨在促成国防部（尤其是DARPA）对精英科学家的直接资助与合作 [4]。从1960年至今的大约100个JASON委员中，有43位选入了美国国家科学院；8位获得了麦克阿瑟天才奖；11位曾获得诺贝尔奖。JASON是与DARPA合作，并为DARPA提供专业领域知识指导的一个例子。在过去的50年里，JASON许多的秘密创新项目为DARPA和国防部项目做出了许多贡献：比如早在1979年，JASON就发布了一份题为 “大气二氧化碳对气候的长期影响” 的报告，引发了全球变暖担忧的世界性关注 [5]。
组织：DARPA由六个技术办公室，总计共约220名政府雇员组成，其中包括近100名项目经理，负责监督约250个研发（R＆D）项目。DARPA竭尽全力招募资深的项目经理，他们是各自领域的佼佼者；DARPA全方位支持项目经理，以提高各学科的发展水平。项目及管理的领导力作用是DARPA成功的核心之一。DARPA的项目经理们来自学术界、工业界和政府机构，平均任期三到五年。每个DARPA项目都预设了一个确定的截止日期，有限的项目完成时间增加了DARPA项目的紧迫性，相比传统的项目模式能够在更短的时间内获得成功。
DARPA研发资金与美国前五名技术公司研发资金的比较
效率：在过去60年中，DARPA在开发突破性技术方面非常成功。从预算的角度来看，DARPA的年度预算仅为30亿美元，与美国前五名科技集团的R＆D支出相比，DARPA的资金资助程度还是相对较薄弱（见上图）。DARPA的年度预算仅是亚马逊R＆D预算的七分之一。但DARPA孵化出的技术为上图列出的每个公司奠定了技术发展的基础，也为行业的发展奠定了技术基础。
DARPA的运作机制：如何管理项目和人才
在本节中，笔者将仔细研究DARPA的运营。具体来说，笔者专注于DARPA中项目管理和人才管理的工作方式。
从项目管理来看。为了开发突破性的技术，每个DARPA项目都需要经历内部竞争、选择和孵化的过程，具体步骤如下 [2]:
计划制定：为了启动一个新计划，项目经理需列举该计划的优点，并且说服高级项目经理支持项目的发展。过于天马行空或缺乏技术基础的项目很难获得高级管理人员的通过。
提案征集：计划批准后，项目经理将通过广泛的技术渠道公开征集提案。最常见的是，通过邀请专家以研讨会和程序审查的形式进行。通过举办研讨会，与会的科学家能够尽早了解未来的DARPA计划，并就计划的发展提供有效意见与建议。
项目团队整合：在研讨会之后，DARPA通常会为潜在的申请人创建一个项目网站，以描述对项目合作者的需求并确定潜在的合作者。DARPA项目专注于开发可以增强军事能力的技术系统和多种技术的组合，所需专业知识的范围通常超出单个科学家的研究范围。因此，DARPA资助的研究必须以研究者团队的方式进行，研究者之间必须具有领域互补的能力。
项目选择：与国家科学基金会（NSF）不同，DARPA的项目申请不接受普通科学家的评估，也不基于一般技术优点进行评估。取而代之的是，DARPA通常在国防部研究实验室选择具有相关技术知识的政府雇员，将他们组织为一个项目申请选择小组，该小组根据计划目标的可实现角度对项目申请进行评估。在申请小组评估提案之后，项目经理和高级经理将决定项目申请的结果。DARPA的研究奖通常以合同而非研究经费的形式进行，签订的合同文件列出了工作说明，并制定特定的计划目标。
项目审核：研究计划启动后，需进行进行计划审核。DARPA通常期望每季度或每月发布书面的进度报告，并定期要求面对面的程序审查。如果进展不令人满意，DARPA可以立即终止合同。
技术转让：预计研究计划将在技术规划中极度前瞻，反映出对当前最新科学技术的理解，并完成针对具体领域的技术突破，如 “最大机动性和操纵性” 项目开发了一种四足 “猎豹” 机器人，其运动模仿了以速度闻名的动物猎豹；修复假肢革命项目则是通过将微电极阵列直接植入患者大脑的运动皮层来控制动作，辅助瘫痪病患的运动功能恢复。
从人才管理方面看来。为吸引来自不同学科、不同组织、具有不同背景的项目经理，DARPA针对每个项目设置一个有限的任期。在该任期内，DARPA全力支持项目经理的工作，全力调动他们的积极性，为整体目标的实施做出贡献12。
固定期限和任期：每个DARPA的项目都设定了期限，在项目结束时项目团队即刻解散。这种项目团队的组织方式其可扩展性，多样性和敏捷性都优于传统的研究组织，可以使得高素质的团队成员招聘范围更加广泛，团队的组织也更加迅速。当团队克服技术障碍以及出现其他技术障碍时，可以快速调整团队组成。有限的任期，再加上明确表达的需求和科学挑战，这种情况产生了紧迫感，迫使团队采取整体行动，对进度进行基准测试。
动态团队：DARPA并不运营自己的实验室。它更像一个风险投资机构，资助在各自组织工作的研究人员，并且每年至少组织两次审查以检查项目进展程度，促进了跨学科领域的互动。这种动态的团队形式产生了快速组织，可反复执行的项目执行周期，并能在很短的时间内取得项目的突破。
项目经理：项目负责人负责整个项目的执行工作。他们根据项目的特定需要确定项目的工作元素，负责进行提案竞争并组织签订合同。项目负责人需要具备出色的领导能力和创业技能。一些项目负责人甚至可能有担任过政府实验室，公司和非营利组织首席执行官（CEO）的经历。他们需要具有深厚的技术经验与科学积累，具有承担风险的勇气，并能够成为启发整个行业的思想领袖。项目负责人一方面需要监督子课题执行者，管理技术细节并做出重大决策；另一反面，他们需要处理预算，管理合同执行问题，进行演讲活动和维持客户关系。
独立性：DARPA项目团队的运作与组织保持很高的独立性，在完成立项之后，委员会将不干涉项目的具体执行，因为突破性创新通常会引起许多争议，过多的干预只会造成项目技术方向的偏差。另外，DARPA建立了一个规模化的多年度预算机制，在确保高级研究小组的领导者具有行业洞悉力并具有影响企业目标的能力后，给予他们选择项目的自由。随着各个项目的推进，DARPA还能够在小组内部和项目之间进行支出的重新分配并重新安排支出的优先级。这种相对非常规的管理方法已产出了很好的科技孵化成果。
DARPA对美国经济的影响
DARPA孵化的技术对美国经济的有深远的影响，笔者甚至认为DARPA就是美国核心的创新引擎。在本节中，笔者将提供两个示例说明DARPA如何孵化出最终对美国和世界经济产生深远影响的项目。但在研究示例之前，笔者先介绍社会回报的概念。私人回报是针对原始投资者的回报，而社会回报则代表整个社会的利益。如在1992年发表的一项研究中，经济学家埃德温·曼斯菲尔德（Edwin Mansfield）估计，每年用于学术研究的投资其社会回报率为40％6。
4.1 DARPA和全球定位系统（GPS）
上世纪60年代，世界上第一个全球卫星导航系统：Transit
1963年，DARPA发射了第一颗卫星，这是世界上第一个全球卫星导航系统。该系统被称为Transit，可为包括美国海军弹道导弹潜艇部队在内的军用船和商船提供准确的全天候导航。到1968年，一个由36颗卫星组成的全面运作的卫星星座已经到位，这就是现代GPS系统的前身 [7]。到1996年为止，Transit计划已经运作了28年。在过去的二十年中，该GPS计划已经产生了约1.4万亿美元的经济效益。DARPA对GPS技术进行的30年种子投资为美国经济的增长提供了1.4万亿美元的利润。GPS对美国经济的影响从2007年的200亿美元增长到2017年的3000亿美元;此种经济增长趋势将长期持续 [8]。
4.2 DARPA和互联网
DARPA 的研究在信息革命中发挥了核心作用。DARPA 提出并扩展了ARPANET（一种原型通信网络）的大部分概念基础，并催生了互联网数字协议的发明。互联网的诞生在1968年迈出了重要的一步，当时 ARPA与 BBN Technologies 签订了合同，建造了第一批互联网路由器。一年之后，这些路由器的使用使得ARPANET顺利运行 [9]。今天互联网已经给人们的工作与社交带来了革命性的影响，完全改变了创建和共享信息的方式。它还影响了全球的人才、思想和财富的流动。麦肯锡全球研究所的一份报告显示，从2005年到2010年，互联网已占成熟经济体GDP增长的21％ [10]。互联网协会数据显示，到2018年互联网行业已为美国经济贡献了2.1万亿美元产值，约占美国GDP的10％。互联网行业现已经成为了美国的第四大经济部门，仅次于房地产、政府和制造业 [11]。该研究还发现，互联网行业提供了近600万个直接工作岗位，占美国工作岗位的4％。
4.3 小结
DARPA现行的管理模式源自这两个示例的经验。这两个项目都是由DARPA发起，然后花了将近30年的时间在美国军方内进行孵化，随后进入20年的商业化阶段，在此期间，笔者观察到了这两项技术对美国经济增加的爆炸性辅助作用。在 Transit 和 ARPANET 启动后的大约50年后，GPS技术为美国GDP每年贡献了3000亿美元，互联网则贡献了高达2.1万亿美元，分别占美国年GDP的1.5％和10％。预计在不久的将来，这两个行业都将持续享有较高的增长率。DARPA已成功建立了极其强大的突破性创新机制，预计DARPA在1970年代，80年代和90年代进行的技术投资将在2020年及以后为美国GDP贡献12％或以上的份额。假设DARPA在未来几年内仍能保持高效产出，在美国政府对DARPA的投资仅占美国GDP0.015％的情况下，美国也已经取得了巨大的回报，现有的回报率超过美国GDP的10％。即使使用保守的估计，DARPA的社会回报率也高达66000％。
DARPA与技术风险投资公司进行比较
在本节中，我们将对DARPA与全球领先的技术风险投资（VC）和私募股权（PE）公司进行绩效比较。图2显示了美国最佳风险投资基金之一的红杉基金 [13]，美国风险投资公司的平均值 [14]，美国私募股权公司15的平均值以及标准普尔500指数的10年内部收益率（IRR）数据。之所以选择10年内部收益率，是因为大多数风险投资和私募股权基金的存续期都少于10年。
美国风险投资和私募股权内部收益率
在过去的10年中，美国的风险投资和私募股权基金以及标准普尔500指数产生了约9％至11％的内部收益率；作为对比，在前面的部分中，笔者已经证明了DARPA产生了66000％的社会收益率。虽然直接比较内部收益率和社会收益率可能并不公平，但该比较确实表明了DARPA的技术孵化效率以及DARPA对美国经济的影响，笔者可以得出结论DARPA的表现远远优于美国最顶尖的风险投资机构和私募股权公司。那么，为什么DARPA在某些方面比世界顶级的技术风险投资公司表现要出色？笔者总结了如下三个原因：
技术趋势：DARPA是技术趋势的设计师和驱动力，而VC和PE公司则通过技术趋势寻求利润。除了互联网和GPS外，DARPA还促进了多种技术的发展，这些技术已经紧密地融入了日常生活。仅举几例，在1960年代，DARPA赞助了oN-Line系统（NLS）的开发，其中包括首次通过鼠标使用屏幕窗口，这项技术引发了Microsoft Windows和Apple Macintosh。1979年，DARPA资助了Aspen电影地图项目，为之后Google Street View提供了技术基础。
正如笔者在此前面提到的，每当DARPA发起一项突破性技术，该技术会转让给军方以完成数十年的孵化期。在该技术成为GDP的主要贡献者之前，将需要再花上一二十年的时间完成商业化。风险投资公司和私募股权公司是专注在商业化过程的早期或中期，而DARPA的项目立项则有几十年，因此其内部收益率自然比DARPA的社会收益率远低得多。
人才：DARPA始终能够吸引到最佳的技术人才，如JASON科学家和项目经理。大多数科学家出于对技术的热爱和爱国主义的内在热情为DARPA工作相比之下，尽管风险投资和私募股权公司也能够吸引顶尖人才，但其动机主要是财务方面的。VC和PE的雇员人才不一定是有能力推进最新技术的技术人员。两相比较，风投和私募是在聘请人才来进行投资决策；DARPA则是聘请科学家来指导国家的技术发展方向。
期限：与DARPA相比，VC和PE基金是相对短视的，因为利益所限VC或PE基金的期限通常在10年范围内。DARPA愿意发起一个项目，用数十年在军方内进行孵化，直到技术发展到足以成熟商用产生更广泛的社会受益。于技术孵化而言，时间是必不可少的要素。高耐心才有可能得到高回报。
结 论
长期以来，经济学家一直认为，科学技术为一个国家的经济增长做出了主要贡献。1957年，诺贝尔奖获得者罗伯特·索洛（Robert Solow）调研了1909年至1949年的经济数据，通过检查GDP的变化，索洛计算得出，1909年至1949年之间，美国经济增长中约有87％产出是得益于科学技术的进步 [16]。笔者也认为DARPA是美国的经济腾飞中主要的、具有区别作用的因素。根据对DARPA的成功经验的总结，笔者为我国高速发展中的科技企业提供了一些管理和组织建议：
科技企业应仔细评估DARPA立项技术和孵化中技术，以追踪利用新兴的技术发展方向。正如本文中详细介绍的，DARPA强有力的模式，即发起了一项突破性技术并将该技术转让给军方以进行数十年孵化。在该技术成为GDP的主要贡献者之前，需要再花上一二十年的时间完成商业化，如机器人技术的发展就走过了这样的历程，并且它将在未来十年内带来巨大的商业机会。
突破性创新通常是通过跨学科的结合来实现的，需要打破组织中的障碍，并融合各个学科中的技术专长，如配备同时具有化学家和电气工程师的团队。因此，鼓励跨学科合作的组织（例如DARPA本身）对于突破性技术孵化至关重要，可以提供大量的见识和创新。
人才对于创新至关重要。从长远来看，寻找最好的人才并对其进行长线投资可以带来可观的回报。特别是投资具有强大技术背景以及技术大局观的项目管理人才，如DARPA项目经理，这可能与投资特定领域的专业人才同样重要。
因此，我们可以总结到，DARPA通过孵化突破性技术以持续推动经济的发展，是美国生产率增长的核心引擎。此外，在孵化突破性技术方面，与许多其他组织相比，DARPA仍领先数十年。DARPA是美国宝贵的资源，它的持续发展将继续促进更广泛的社会、国家和国际发展。
制版编辑 | 皮皮鱼
