2020年前沿科技發(fā)展態(tài)勢及2021年趨勢展望——先進制造篇

作者：張宇

世界先進制造領(lǐng)域2020年態(tài)勢總結(jié)

受新冠疫情影響，全球制造業(yè)發(fā)展滯緩。2020年，全球制造業(yè)受新冠肺炎疫情影響嚴(yán)重。前半年制造業(yè)處于嚴(yán)重萎縮狀態(tài)，5月份全球制造業(yè)PMI指數(shù)跌至40%以下，降至2018年以來最低谷。后半年全球經(jīng)濟開始復(fù)蘇，制造業(yè)緩慢回升。世界主要國家均采取各類措施刺激發(fā)展，對沖疫情影響。美國啟動“大眾企業(yè)貸款計劃”，以支持受疫情影響的中小企業(yè)。英國通過降息、撥款、擬定創(chuàng)業(yè)就業(yè)計劃等措施，應(yīng)對出現(xiàn)的失業(yè)潮。歐盟簽署總額5400億歐元的緊急救助計劃，并醞釀采取措施吸引制造業(yè)回歸，降低供應(yīng)鏈外部依賴。德國信貸擴張，國家為企業(yè)提供不設(shè)上限的貸款金額，同時為小微企業(yè)提供500億歐元的緊急援助，保障就業(yè)。

5G技術(shù)賦能工業(yè)領(lǐng)域，促進智能制造新發(fā)展。英國投資900萬英鎊啟動名為“5G-Encode”的5G技術(shù)與制造業(yè)融合項目，將探索工業(yè)環(huán)境中專用5G網(wǎng)絡(luò)的新業(yè)務(wù)模型，研究5G在改善復(fù)合材料設(shè)計和生產(chǎn)過程中的實際應(yīng)用。韓國現(xiàn)代重工集團與電信運營商KT公司合作開發(fā)基于5G網(wǎng)絡(luò)的先進智能船廠解決方案，進一步提升自主機器人技術(shù)，以提高效率和安全性。法國施耐德電氣和Orange電信在勒沃德勒伊工廠部署工業(yè)領(lǐng)域的室內(nèi)5G通訊基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，通過5G技術(shù)將增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于運維活動，并部署遠(yuǎn)程機器人實現(xiàn)遠(yuǎn)程觀察，旨在將5G技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境，打造可靠、可擴展、可持續(xù)的連接解決方案，以滿足未來工業(yè)需求。英國電信（BT）與伍斯特郡5G測試平臺（W5G）開展合作，加速實時5G專用網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，促進實現(xiàn)制造過程的智能化、動態(tài)化和全自動化，推動工業(yè)4.0和智能制造發(fā)展。

數(shù)字孿生技術(shù)與解決方案幫助制造業(yè)效能大幅提升。美國Authentist公司將Nebumind公司的數(shù)字孿生工具集成到制造執(zhí)行系統(tǒng)中，生成“數(shù)字孿生”可視化效果，將3D打印設(shè)備參數(shù)和傳感器數(shù)據(jù)與原始零件幾何形狀融合，幫助用戶識別各零件的問題區(qū)域，提高檢查效率，使返工需求識別速度可提高10倍。南卡羅來納大學(xué)為美海軍艦船開發(fā)“數(shù)字孿生”系統(tǒng)，以提高美海軍艦船動力系統(tǒng)和平臺的韌性、效率、適應(yīng)性和自主性，并為艦船上昂貴的電氣部件提供實時監(jiān)測和預(yù)測性維護。英國宇航系統(tǒng)公司采用數(shù)字孿生技術(shù)對第六代戰(zhàn)斗機“暴風(fēng)”的概念外形進行設(shè)計和測試，同時試飛員能夠在陸基模擬器上駕駛戰(zhàn)機，數(shù)字孿生后續(xù)還可為飛機全生命周期的各環(huán)節(jié)提供支持。

3D打印技術(shù)與成果持續(xù)更新，行業(yè)應(yīng)用逐步深化。美國馬薩諸塞大學(xué)開發(fā)出一種融合了注塑元素的新型3D打印技術(shù)。該方法先3D打印出外殼結(jié)構(gòu)，然后向空腔內(nèi)注射塑料進行填充，其打印速度比傳統(tǒng)的FDM技術(shù)快3倍。美國橡樹嶺國家實驗室利用3D打印技術(shù)，在3個月內(nèi)完成了核反應(yīng)堆原型的設(shè)計與制造，并利用制造過程中的持續(xù)監(jiān)測和人工智能技術(shù)完善原型堆的設(shè)計，以進一步評估材料和性能。美國3D打印初創(chuàng)公司Relativity Space完成了其3D打印火箭發(fā)動機Aeon 1的首次地面全周期點火運行實驗。Aeon 1共含100多個零件，平均制造周期僅為一個月，其成本和工序都大大減少。美陸軍立項研究利用增材制造技術(shù)開發(fā)下一代彈藥，以增強彈藥的穿透能力和殺傷力，幫助實現(xiàn)更高的初速度和更遠(yuǎn)的射程。

世界先進制造領(lǐng)域2021年趨勢展望
機器人技術(shù)與應(yīng)用齊頭并進，商業(yè)落地進程提速。機器人基礎(chǔ)與前沿技術(shù)迭代速度將持續(xù)增快，主要將圍繞人工智能、人機協(xié)作等方向展開；全球服務(wù)機器人市場空間廣闊，規(guī)模將不斷擴大。機器人公司波士頓動力積極開發(fā)配件，幫助已實現(xiàn)商業(yè)化的Spot機器人應(yīng)用程序更加多樣化，2021年將為其配備機械臂，以執(zhí)行開關(guān)門和物品拾取等任務(wù)，同時還將配備自充電基座，使其能夠在無人操作環(huán)境下自行返回充電。韓國SK電訊和日本歐姆龍合作開發(fā)出搭載了AI、5G、機器人自動控制等尖端技術(shù)的防疫AI機器人，這種機器人可與搭載5G網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器實時交換數(shù)據(jù)，執(zhí)行建筑物消殺、體溫檢查、驅(qū)散聚集人群等任務(wù)。預(yù)計這種機器人2021年起將向國外出口。

智能工廠建設(shè)推進，助力制造業(yè)升級轉(zhuǎn)型。作為智能制造的重要載體，智能工廠成為未來制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。2020年，世界經(jīng)濟論壇已遴選出54家燈塔工廠作為全球智能工廠標(biāo)桿，預(yù)計2021年全球智能工廠建設(shè)步伐將進一步加快。日本發(fā)那科集團上海智能工廠三期項目開建，該工廠將通過發(fā)那科的工程集成及技術(shù)服務(wù)能力，利用其IoT、AI等智能制造技術(shù)，建成集生產(chǎn)、研發(fā)、展示、銷售、系統(tǒng)集成與服務(wù)為一體的機器人超級智能工廠。韓國中小企業(yè)和創(chuàng)業(yè)部計劃在2025年前將智能工廠的推進率從22%提高到30%，將其數(shù)量增加至1000家，并從中選出代表不同的行業(yè)的100家工廠作為“燈塔”，在工業(yè)園區(qū)建立數(shù)字集群，推動制造業(yè)與第一、三產(chǎn)業(yè)結(jié)合。

人工智能技術(shù)與制造業(yè)深度融合成為重要趨勢。市場研究機構(gòu)Research and Markets發(fā)布《制造業(yè)中的人工智能——到2027年的全球預(yù)測》報告，指出制造業(yè)中的人工智能技術(shù)在2019年~2027年預(yù)測期內(nèi)年復(fù)合增長率可達(dá)39.7％，預(yù)計到2027年將達(dá)到270億美元。英國信息技術(shù)公司AVEVA與加拿大Axonify公司共同推出基于人工智能的微學(xué)習(xí)解決方案，提供具有豐富擴展現(xiàn)實功能的仿真培訓(xùn)，以及用于教學(xué)設(shè)計和課程開發(fā)工具的一體化教學(xué)平臺，首創(chuàng)在制造業(yè)培訓(xùn)領(lǐng)域借助人工智能技術(shù)對員工進行個性化高效培訓(xùn)的范例。德國開發(fā)出可監(jiān)測機器人裝配線故障的智能系統(tǒng)。這種智能系統(tǒng)基于人工智能算法，可忽略不相關(guān)的背景噪音，并區(qū)分多個目標(biāo)聲音，通過監(jiān)測機器人正確作業(yè)時本應(yīng)發(fā)出的聲音來判斷其是否正常工作，以進行預(yù)測性維護。Geek+物流機器人公司應(yīng)用先進機器人和人工智能技術(shù)，依托穩(wěn)定可靠的硬件和高效算法大幅提升全球性供應(yīng)鏈智能化水平，使物流更經(jīng)濟實用、高效率、靈活、安全和敏捷。

政策支持與技術(shù)進步齊發(fā)力，助推自動駕駛汽車發(fā)展。IDC《全球自動駕駛汽車預(yù)測報告（2020~2024）》顯示，預(yù)計2021年全球L1~L5級自動駕駛汽車出貨量將達(dá)到3605萬輛。中國工信部發(fā)布的《汽車駕駛自動化分級》從2021年1月1日起正式實施。該文件明確了自動駕駛汽車的分級定義、分級原則，將為后續(xù)相關(guān)法律法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)的出臺提供支撐。英國政府計劃在2021年將自動駕駛汽車合法化，允許自動駕駛車輛在高速公路的慢車道上以不高于112公里的時速行駛。Waymo公司計劃在2021年與俄亥俄州交通研究中心（TRC）開展合作，共同打造囊括丘陵以及密集型城市環(huán)境的全新測試場地，以便在不常見或危險性較大的場景中對自動駕駛汽車進行測試。中國無人駕駛卡車公司圖森未來獲得美國卡車制造商Navistar投資，雙方將共同研發(fā)L4級無人駕駛卡車，并計劃在2024年前實現(xiàn)量產(chǎn)。


作者簡介
張宇
國務(wù)院發(fā)展研究中心國際技術(shù)經(jīng)濟研究所研究一室，研究助理
研究方向：機器人、3D打印、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、高端裝備制造等