包含3D打印，2022年先進(jìn)制造領(lǐng)域前沿科技發(fā)展態(tài)勢及2023年趨勢展望

作者：董蓉 國務(wù)院發(fā)展研究中心國際技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所研究五室，助理分析員

一、世界先進(jìn)制造領(lǐng)域2022年態(tài)勢總結(jié)
多國出臺先進(jìn)制造業(yè)戰(zhàn)略，加碼先進(jìn)制造業(yè)投資和研究力度。美國白宮國家科學(xué)與技術(shù)委員會發(fā)布新版《先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略》報告，提出今后四年美國先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的三大戰(zhàn)略目標(biāo)和11條具體措施；白宮宣布實(shí)施《推進(jìn)增材制造計劃》，以提高供應(yīng)鏈韌性和安全。英國國家研究與創(chuàng)新署將在三年內(nèi)通過“基礎(chǔ)設(shè)施基金”向包含先進(jìn)制造在內(nèi)的多項重大科研項目投入4.81億英鎊，用于購買尖端設(shè)備。韓國產(chǎn)業(yè)通商資源部通過《2022年智能機(jī)器人實(shí)行計劃》，將持續(xù)對工業(yè)和服務(wù)業(yè)機(jī)器人進(jìn)行投資和支持。中國工業(yè)和信息化部印發(fā)《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》，提出推進(jìn)智能制造發(fā)展的總體路徑。


人工智能賦能先進(jìn)制造凸顯實(shí)效，機(jī)器算法全面提升制造業(yè)水平。美國太平洋西北國家實(shí)驗室構(gòu)建的機(jī)器學(xué)習(xí)工具可以預(yù)測制造過程中對材料產(chǎn)生的影響，加速先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展；卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)使用觸覺傳感器和機(jī)器學(xué)習(xí)改進(jìn)了機(jī)器人操縱織物的方式；馬里蘭大學(xué)利用機(jī)器學(xué)習(xí)促進(jìn)預(yù)測模型的構(gòu)建，加速軟機(jī)器人設(shè)計流程；斯坦福大學(xué)開發(fā)出內(nèi)設(shè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型的新型外骨骼機(jī)器人靴子，大幅提高穿戴者的行走速度和穿戴舒適度；加州大學(xué)伯克利分校等機(jī)構(gòu)開發(fā)出的強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型，提高了四足機(jī)器人守門員的技能水平。日本京都大學(xué)和名古屋大學(xué)聯(lián)合開發(fā)出可自我進(jìn)化的機(jī)器人設(shè)計自動化系統(tǒng)。中國上�？萍即髮W(xué)開發(fā)出由人工智能驅(qū)動的人機(jī)界面系統(tǒng)M-Bot，可以幫助機(jī)器手實(shí)現(xiàn)對觸覺和溫度的感知，并對有毒物進(jìn)行現(xiàn)場采樣和實(shí)時分析。


自然生物學(xué)助力先進(jìn)制造創(chuàng)新，仿生機(jī)器人受到高度關(guān)注。美國耶魯大學(xué)模仿龜類運(yùn)動形態(tài)，開發(fā)出具有自適應(yīng)形態(tài)的四足兩棲機(jī)器人；加州大學(xué)伯克利分校推出一種可垂直自我挖掘的仿鼴鼠蟹機(jī)器人。英國薩里大學(xué)設(shè)計出一款可在水中收集塑料顆粒的仿生機(jī)器魚。日本理化學(xué)研究所開發(fā)出太陽能驅(qū)動的活體蟑螂機(jī)器人。韓國高麗大學(xué)開發(fā)出多孔水凝膠制成的微型水上昆蟲型機(jī)器人；機(jī)械與材料研究所開發(fā)出世界首個能夠進(jìn)行所有抓取動作的仿象鼻夾吸式抓手。

3D打印技術(shù)持續(xù)取得突破，推動各行業(yè)科技進(jìn)步。美國麻省理工學(xué)院開發(fā)出一種新的熱處理方法，可有效改善3D打印金屬的微觀結(jié)構(gòu)，使得3D打印發(fā)動機(jī)葉片成為可能；得克薩斯農(nóng)工大學(xué)使用食鹽3D打印可降解聚合物；橡樹嶺國家實(shí)驗室利用深度學(xué)習(xí)加速3D打印的CT掃描過程，同時提高結(jié)果準(zhǔn)確性。德國波鴻魯爾大學(xué)的研究人員利用雙光子聚合3D打印技術(shù)成功模擬出納米尺度上的生物結(jié)構(gòu)。俄羅斯烏拉爾聯(lián)邦大學(xué)和俄羅斯科學(xué)院烏拉爾分院通過3D打印制造出微型永磁體。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所開發(fā)出具有強(qiáng)大循環(huán)穩(wěn)定性和超高面能量密度的全3D打印鋰金屬電池。

二、世界先進(jìn)制造領(lǐng)域2023年趨勢展望
增材制造技術(shù)應(yīng)用更加廣泛，應(yīng)用空間和市場規(guī)模預(yù)計持續(xù)增長。Wohlers的最新數(shù)據(jù)顯示，未來5年全球增材制造市場規(guī)模年均復(fù)合增長率預(yù)計將超過20.5%，到2030年，市場規(guī)模將達(dá)到853億美元。美國國防部正在尋求將增材制造工藝應(yīng)用于復(fù)雜高超聲速武器零部件中的解決方案。通用電氣有望成為第一個將3D打印底座的風(fēng)力渦輪機(jī)商業(yè)化的公司，該公司在2019年10月完成了第一臺原型機(jī)，并計劃在2023年投入生產(chǎn)。福布斯最新文章指出，2023年增材制造和數(shù)字孿生將結(jié)合的更為緊密，而工程師可以在虛擬世界中對組件進(jìn)行調(diào)整和編輯，再使用3D打印技術(shù)在現(xiàn)實(shí)世界中創(chuàng)建它們。


工業(yè)智能化進(jìn)入快速發(fā)展階段，數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施推動制造業(yè)加速升級。Global Info Research的調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，2022-2028年，全球工業(yè)智能化預(yù)計將以6.4%的年均復(fù)合增長率增長，到2028年收入將超過3000億美元。Capgemini Research Institute的研究數(shù)據(jù)表明，2023年智能工廠可以通過提高生產(chǎn)率、提高質(zhì)量和市場份額以及客戶服務(wù)，為全球經(jīng)濟(jì)至少增加1.5萬億美元產(chǎn)值。歐盟在“2030數(shù)字羅盤”計劃中提出，2030年75%的歐盟企業(yè)將使用云計算服務(wù)、大數(shù)據(jù)和人工智能；90%以上的中小企業(yè)將達(dá)到基本的數(shù)字化水平。韓國總統(tǒng)辦公室稱新能源汽車制造商特斯拉將擴(kuò)大與韓合作，計劃未來將在韓國新建亞洲第二個特斯拉超級工廠。中國工業(yè)和信息化部表示，2023年中國將繼續(xù)堅持智能制造主攻方向，推進(jìn)智能制造裝備、工業(yè)軟件、系統(tǒng)解決方案創(chuàng)新發(fā)展，加強(qiáng)5G、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。


可持續(xù)制造成為未來發(fā)展的重要方向。Gartner發(fā)布《2023年十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢》報告指出，受到環(huán)境、社會和治理（ESG）的影響，使用可持續(xù)技術(shù)將成為制造商、政府等共同的責(zé)任，可持續(xù)是貫穿2023年所有戰(zhàn)略技術(shù)的重要趨勢。2022年美國發(fā)布《通脹削減法案》《兩黨基礎(chǔ)設(shè)施法》《先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略》等，表示將在今后提供大量資源和激勵措施以實(shí)現(xiàn)清潔和可持續(xù)的制造，幫助實(shí)現(xiàn)氣候和清潔能源目標(biāo)，助力脫碳。IDTechEx研究公司在《持續(xù)電子制造：2023—2033》報告中指出，預(yù)計未來十年，將會有20%的制造印刷電路板（PCB）用更可持續(xù)的方法制造。