2020年前沿科技發展態勢及2021年趨勢展望——先進制造篇
世界先進制造領域2020年態勢總結
受新冠疫情影響，全球制造業發展滯緩。2020年，全球制造業受新冠肺炎疫情影響嚴重。前半年制造業處于嚴重萎縮狀態，5月份全球制造業PMI指數跌至40%以下，降至2018年以來最低谷。后半年全球經濟開始復蘇，制造業緩慢回升。世界主要國家均采取各類措施刺激發展，對沖疫情影響。美國啟動“大眾企業貸款計劃”，以支持受疫情影響的中小企業。英國通過降息、撥款、擬定創業就業計劃等措施，應對出現的失業潮。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回歸，降低供應鏈外部依賴。德國信貸擴張，國家為企業提供不設上限的貸款金額，同時為小微企業提供500億歐元的緊急援助，保障就業。
5G技術賦能工業領域，促進智能制造新發展。英國投資900萬英鎊啟動名為“5G-Encode”的5G技術與制造業融合項目，將探索工業環境中專用5G網絡的新業務模型，研究5G在改善復合材料設計和生產過程中的實際應用。韓國現代重工集團與電信運營商KT公司合作開發基于5G網絡的先進智能船廠解決方案，進一步提升自主機器人技術，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領域的室內5G通訊基礎網絡，通過5G技術將增強現實技術應用于運維活動，并部署遠程機器人實現遠程觀察，旨在將5G技術應用于現代工業環境，打造可靠、可擴展、可持續的連接解決方案，以滿足未來工業需求。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專用網絡建設，促進實現制造過程的智能化、動態化和全自動化，推動工業4.0和智能制造發展。
數字孿生技術與解決方案幫助制造業效能大幅提升。美國Authentist公司將Nebumind公司的數字孿生工具集成到制造執行系統中，生成“數字孿生”可視化效果，將3D打印設備參數和傳感器數據與原始零件幾何形狀融合，幫助用戶識別各零件的問題區域，提高檢查效率，使返工需求識別速度可提高10倍。南卡羅來納大學為美海軍艦船開發“數字孿生”系統，以提高美海軍艦船動力系統和平臺的韌性、效率、適應性和自主性，并為艦船上昂貴的電氣部件提供實時監測和預測性維護。英國宇航系統公司采用數字孿生技術對第六代戰斗機“暴風”的概念外形進行設計和測試，同時試飛員能夠在陸基模擬器上駕駛戰機，數字孿生后續還可為飛機全生命周期的各環節提供支持。
3D打印技術與成果持續更新，行業應用逐步深化。美國馬薩諸塞大學開發出一種融合了注塑元素的新型3D打印技術。該方法先3D打印出外殼結構，然后向空腔內注射塑料進行填充，其打印速度比傳統的FDM技術快3倍。美國橡樹嶺國家實驗室利用3D打印技術，在3個月內完成了核反應堆原型的設計與制造，并利用制造過程中的持續監測和人工智能技術完善原型堆的設計，以進一步評估材料和性能。美國3D打印初創公司Relativity Space完成了其3D打印火箭發動機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開發下一代彈藥，以增強彈藥的穿透能力和殺傷力，幫助實現更高的初速度和更遠的射程。
世界先進制造領域2021年趨勢展望
機器人技術與應用齊頭并進，商業落地進程提速。機器人基礎與前沿技術迭代速度將持續增快，主要將圍繞人工智能、人機協作等方向展開；全球服務機器人市場空間廣闊，規模將不斷擴大。機器人公司波士頓動力積極開發配件，幫助已實現商業化的Spot機器人應用程序更加多樣化，2021年將為其配備機械臂，以執行開關門和物品拾取等任務，同時還將配備自充電基座，使其能夠在無人操作環境下自行返回充電。韓國SK電訊和日本歐姆龍合作開發出搭載了AI、5G、機器人自動控制等尖端技術的防疫AI機器人，這種機器人可與搭載5G網絡的服務器實時交換數據，執行建筑物消殺、體溫檢查、驅散聚集人群等任務。預計這種機器人2021年起將向國外出口。
智能工廠建設推進，助力制造業升級轉型。作為智能制造的重要載體，智能工廠成為未來制造業發展的必然趨勢。2020年，世界經濟論壇已遴選出54家燈塔工廠作為全球智能工廠標桿，預計2021年全球智能工廠建設步伐將進一步加快。日本發那科集團上海智能工廠三期項目開建，該工廠將通過發那科的工程集成及技術服務能力，利用其IoT、AI等智能制造技術，建成集生產、研發、展示、銷售、系統集成與服務為一體的機器人超級智能工廠。韓國中小企業和創業部計劃在2025年前將智能工廠的推進率從22%提高到30%，將其數量增加至1000家，并從中選出代表不同的行業的100家工廠作為“燈塔”，在工業園區建立數字集群，推動制造業與第一、三產業結合。
人工智能技術與制造業深度融合成為重要趨勢。市場研究機構Research and Markets發布《制造業中的人工智能——到2027年的全球預測》報告，指出制造業中的人工智能技術在2019年~2027年預測期內年復合增長率可達39.7％，預計到2027年將達到270億美元。英國信息技術公司AVEVA與加拿大Axonify公司共同推出基于人工智能的微學習解決方案，提供具有豐富擴展現實功能的仿真培訓，以及用于教學設計和課程開發工具的一體化教學平臺，首創在制造業培訓領域借助人工智能技術對員工進行個性化高效培訓的范例。德國開發出可監測機器人裝配線故障的智能系統。這種智能系統基于人工智能算法，可忽略不相關的背景噪音，并區分多個目標聲音，通過監測機器人正確作業時本應發出的聲音來判斷其是否正常工作，以進行預測性維護。Geek+物流機器人公司應用先進機器人和人工智能技術，依托穩定可靠的硬件和高效算法大幅提升全球性供應鏈智能化水平，使物流更經濟實用、高效率、靈活、安全和敏捷。
政策支持與技術進步齊發力，助推自動駕駛汽車發展。IDC《全球自動駕駛汽車預測報告（2020~2024）》顯示，預計2021年全球L1~L5級自動駕駛汽車出貨量將達到3605萬輛。中國工信部發布的《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，將為后續相關法律法規與標準的出臺提供支撐。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L4級無人駕駛卡車，并計劃在2024年前實現量產。
作者簡介
張宇 國務院發展研究中心國際技術經濟研究所研究一室，研究助理
研究方向：機器人、3D打印、工業互聯網、高端裝備制造等
作者丨 張宇
編輯丨 劉瑾
