全球11項(xiàng)顛覆性制造技術(shù)解讀

上屆美國總統(tǒng)奧巴馬非常重視制造業(yè)。其發(fā)起成立的“先進(jìn)制造業(yè)合作委員會(huì)”，Advanced Manufacturing Partnership，就未來制造業(yè)的發(fā)展做出了展望，重點(diǎn)規(guī)劃11個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，認(rèn)為這些領(lǐng)域?qū)?duì)制造業(yè)競爭力的決定起到關(guān)鍵作用，應(yīng)當(dāng)成為全國研發(fā)行動(dòng)的重點(diǎn)。

01

【增材制造】

Additive Manufacturing

普遍稱為3D打印的增材制造 已經(jīng)成為新一輪工業(yè)革命的旗幟。它明顯不同于以往，專業(yè)人士和愛好者都可用上，但增材制造不過是未來幾年有望給很多東西的制造方式帶來重大變革的一系列新興技術(shù)之一。甚至增材制造也非僅限于3D打印。

一項(xiàng)剛剛嶄露頭角的工藝名叫“冷噴涂”，就是通過噴嘴噴射金屬顆粒，由于速度很高，這些顆粒會(huì)相互結(jié)合、組成形狀。通過精確控制噴嘴，機(jī)器操作員就可以像利 用3D打印機(jī)打印一樣制造出齒輪之類的三維金屬物體。物體就像是通過噴繪畫出來的一樣，哪怕是用鈦之類的不常見金屬，也都是可以完成的。

02

【傳感、測量和過程控制】

Advancing Sensing, Measurement,

and Process Control

幾乎所有先進(jìn)制造技術(shù)都有一個(gè)共通的東西：它們都由處理巨量數(shù)據(jù)的電腦驅(qū)動(dòng)。正因如此，那些捕捉并記錄數(shù)據(jù)的東西才如此重要，如監(jiān)測濕度的傳感器、確定位置的GPS跟蹤器、測量材料厚度的卡尺等。這些設(shè)備不僅越來越多地用于智能手機(jī)的智能化，還使得智能、靈活、可靠、高效的制造技術(shù)成為可能。

在一座現(xiàn)代化的工廠里面，傳感器不僅有助于引導(dǎo)日益靈敏的機(jī)器，還提供管理整個(gè)工廠的運(yùn)營所需要的信息。產(chǎn)品從誕生到送達(dá)都可以跟蹤，某些情況下還可以跟蹤 到送達(dá)之后。在這個(gè)過程中，一旦有問題出現(xiàn)，比如在噴漆室的濕度不適宜噴涂的時(shí)候，傳感器就會(huì)偵測出來，向機(jī)器操作者發(fā)送警報(bào)信號(hào)，甚至是向工廠管理者的 手機(jī)發(fā)送警報(bào)信號(hào)。

03

【材料設(shè)計(jì)、合成與加工】

Advanced Materials Design,

Synthesis, and Processing

新機(jī)器將需要新材料，新材料將使新式機(jī)器的制造成為可能。隨著將材料細(xì)分到原子或分子層級(jí)、幾乎不需要經(jīng)過漫長的實(shí)驗(yàn)室步驟就可以進(jìn)行操縱的進(jìn)展出現(xiàn)，涂層、復(fù)合材料和其他材料的開發(fā)正在加快。

借鑒人類基因組計(jì)劃取得的廣受認(rèn)可的成功，能源部等美國政府機(jī)構(gòu)去年發(fā)起成立了材料基因組計(jì)劃(Materials Genome Initiative), 其目標(biāo)是將確定新材料、把新材料推向市場所需要的時(shí)間縮短一半。

目前這個(gè)過程可能需要耗時(shí)幾十年，比如鋰離子電池技術(shù)是20世紀(jì)70年代?？松?Exxon)的一名員工首次構(gòu)想出來的，但一直要到90年代才開始商業(yè)化。這個(gè)計(jì)劃涉及的部分工作，便是讓該領(lǐng)域內(nèi)散落在世界各處、兩耳不聞窗外事的研究人員共享創(chuàng)意和創(chuàng)新。

04

【數(shù)字制造技術(shù)】

Visualization, Informatics,

and Digital Manufacturing Technologies

工程師和設(shè)計(jì)師使用電腦輔助的建模工具已經(jīng)有些年頭，不僅用于設(shè)計(jì)產(chǎn)品，還以數(shù)字方式對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢測、修正、改良，常常省略了更費(fèi)錢、更費(fèi)時(shí)的實(shí)體檢驗(yàn)過 程。云計(jì)算和低成本3D掃描儀（現(xiàn)在用iPhone就可以做一次簡單的3D掃描）正在將這些方法從尖端實(shí)驗(yàn)室里搬出來，使之進(jìn)入主流，讓創(chuàng)業(yè)者能夠用上。

Autodesk制作了一套免費(fèi)的的全功能CAD軟件“123 Design”，汽車制造商一度要用大型計(jì)算機(jī)才能完成的事情，個(gè)人拿這套軟件就可以做了。

05

【可持續(xù)制造】

Sustainable Manufacturing

其目標(biāo)即便不好實(shí)現(xiàn)，理解起來也還是很容易的，就是將每一丁點(diǎn)物質(zhì)、每一焦耳能量最大化地用到生產(chǎn)當(dāng)中，盡可能地減少浪費(fèi)。高能效制造是其中的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。

比如，制造業(yè)工程師常常會(huì)說到“無燈”工廠的潛力，這種工廠在黑暗中持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，不需要加熱或制冷，因?yàn)樗鼈兓旧隙际怯?a target="_blank">機(jī)器人或其他機(jī)器操作。隨著規(guī)模更小、高度自動(dòng)化的本地工廠變得更加普遍，再制造和回收或許會(huì)變得更加重要，本地供應(yīng)的材料也會(huì)更受重視。

06

【納米制造】

Nano manufacturing

一 納米等于一米的10億分之一，所以納米制造的意思就是能夠在分子、甚至原子層面操縱材料。預(yù)計(jì)納米材料將來會(huì)在高效太陽能電池板、電池的生產(chǎn)過程中發(fā)揮作 用，甚至?xí)诨谏鷳B(tài)系統(tǒng)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用當(dāng)中發(fā)揮作用，比如在體內(nèi)安置傳感器，可以告訴醫(yī)生癌癥已經(jīng)消失。未來幾代的電子設(shè)備和運(yùn)算設(shè)備或許也會(huì)非常依賴于納 米制造。

07

【柔性電子制造】

Flexible Electronics Manufacturing

比如坐在上面的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生彎曲的平板電腦，與體溫連線、在你需要的時(shí)候提供制冷的衣服等。這些柔性技術(shù)已經(jīng)在向主流進(jìn)發(fā)，預(yù)計(jì)會(huì)定義下一代的消費(fèi)設(shè)備和運(yùn)算設(shè)備，成為未來10年增長最快的產(chǎn)品門類之一。但這需要極為先進(jìn)的制造工藝。

08

【生物制造】

Biomanufacturing and Bioinformatics

該領(lǐng)域利用生物有機(jī)體或生物有機(jī)體的一部分以人工方式生產(chǎn)產(chǎn)品，如開發(fā)藥物和復(fù)方藥。它可以用到很多領(lǐng)域，比如能效的提高、納米制造新方法的創(chuàng)造等。

09

【工業(yè)機(jī)器人】

Industrial Robotics

工業(yè)機(jī)器人可以每天24小時(shí)、每周七天地運(yùn)轉(zhuǎn)，精度可重復(fù)且越來越高，時(shí)間上可以精確到幾百分之一秒，空間上可以精確到人眼都看不到的程度。它們精確地匯報(bào)進(jìn)展，在接受效率測試的時(shí)候做出改進(jìn)，如果安裝了先進(jìn)的傳感系統(tǒng)，還會(huì)變得更加靈巧（它們也很少發(fā)牢騷）。

隨著機(jī)器人變得越來越普遍，它們的經(jīng)濟(jì)性也在提高：據(jù)麥肯錫全球研究院(McKinsey Global Institute)的一份報(bào)告，1990年以來與人工相比的機(jī)器人相關(guān)成本已經(jīng)下降高達(dá)50%。另外，隨著生物技術(shù)和納米技術(shù)的進(jìn)步，預(yù)計(jì)機(jī)器人能夠做 的事情將越來越精巧，如藥品加工、培植完整人體器官等。

10

【先進(jìn)成形與連接技術(shù)】

Advanced Forming and

Joining Technologies

當(dāng)前大部分機(jī)器制造工藝基本上還是依靠傳統(tǒng)技術(shù)、特別是針對(duì)金屬的技術(shù)，如鑄型、鍛造、加工和焊接等。但專家認(rèn)為，這個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，可以用新的方法來連接更多種類的材料，同時(shí)提高能源和資源效率。比如冷成型技術(shù)就有可能作為一項(xiàng)修復(fù)技術(shù)或先進(jìn)焊接技術(shù)而發(fā)揮重大作用。

11

【先進(jìn)的生產(chǎn)和檢測裝備】

Advanced Manufacturing

and Testing Equipment