前沿科技2022年發展態勢及2023年趨勢展望 · 先進制造篇

國務院發展研究中心國際技術經濟研究所 董 蓉

一、2022年態勢總結

1.多國出臺先進制造業戰略，加碼先進制造業投資和研究力度

美國白宮國家科學與技術委員會發布新版《先進制造業國家戰略》報告，提出今后4年美國先進制造業發展的三大戰略目標和11條具體措施；白宮宣布實施《推進增材制造計劃》，以提高供應鏈韌性和安全。英國國家研究與創新署將在3年內通過“基礎設施基金”向包含先進制造在內的多項重大科研項目投入4.81億英鎊，用于購買尖端設備。韓國產業通商資源部通過《2022年智能機器人實行計劃》，將持續對工業和服務業機器人進行投資和支持。中國工業和信息化部印發《“十四五”智能制造發展規劃》，提出推進智能制造發展的總體路徑。

2.人工智能賦能先進制造凸顯實效，機器算法全面提升制造業水平

美國太平洋西北國家實驗室構建的機器學習工具可以預測制造過程中對材料產生的影響，加速先進制造技術的發展；卡內基·梅隆大學使用觸覺傳感器和機器學習改進了機器人操縱織物的方式；馬里蘭大學利用機器學習促進預測模型的構建，加速軟機器人設計流程；斯坦福大學開發出內設機器學習模型的新型外骨骼機器人靴子，大幅提高穿戴者的行走速度和穿戴舒適度；加州大學伯克利分校等機構開發出的強化學習模型，提高了四足機器人守門員的技能水平。日本京都大學和名古屋大學聯合開發出可自我進化的機器人設計自動化系統。中國上海科技大學開發出由人工智能驅動的人機界面系統M-Bot，可以幫助機器手實現對觸覺和溫度的感知，并對有毒物進行現場采樣和實時分析。

3.自然生物學助力先進制造創新，仿生機器人受到高度關注

美國耶魯大學模仿龜類運動形態，開發出具有自適應形態的四足兩棲機器人；加州大學伯克利分校推出一種可垂直自我挖掘的仿鼴鼠蟹機器人。英國薩里大學設計出一款可在水中收集塑料顆粒的仿生機器魚。日本理化學研究所開發出太陽能驅動的活體蟑螂機器人。韓國高麗大學開發出多孔水凝膠制成的微型水上昆蟲型機器人；機械與材料研究所開發出世界首個能夠進行所有抓取動作的仿象鼻夾吸式抓手。

4.3D打印技術持續取得突破，推動各行業科技進步

美國麻省理工學院開發出一種新的熱處理方法，可有效改善3D打印金屬的微觀結構，使得3D打印發動機葉片成為可能；得克薩斯農工大學使用食鹽3D打印可降解聚合物；橡樹嶺國家實驗室利用深度學習加速3D打印的CT掃描過程，同時提高結果準確性。德國波鴻魯爾大學的研究人員利用雙光子聚合3D打印技術成功模擬出納米尺度上的生物結構。俄羅斯烏拉爾聯邦大學和俄羅斯科學院烏拉爾分院通過3D打印制造出微型永磁體。中國科學院大連化學物理研究所開發出具有強大循環穩定性和超高面能量密度的全3D打印鋰金屬電池。

二、2023年趨勢展望

1.增材制造技術應用更加廣泛，應用空間和市場規模預計持續增長

沃樂思報告（Wohlers Report）的最新數據顯示，未來5年全球增材制造市場規模年均復合增長率預計將超過20.5%，到2030年，市場規模將達到853億美元。美國國防部正在尋求將增材制造工藝應用于復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打印底座的風力渦輪機商業化的公司，該公司在2019年10月完成了第一臺原型機，并計劃在2023年投入生產。福布斯最新文章指出，2023年增材制造和數字孿生將結合得更為緊密，而工程師可以在虛擬世界中對組件進行調整和編輯，再使用3D打印技術在現實世界中創建它們。

2.工業智能化進入快速發展階段，數字基礎設施推動制造業加速升級

環洋市場咨詢（Global Info Research）的調研數據顯示，2022-2028年，全球工業智能化預計將以6.4%的年均復合增長率增長，到2028年收入將超過3000億美元。凱捷研究院（Capgemini Research Institute）的研究數據表明，2023年智能工廠可以通過提高生產率、提高質量和市場份額以及客戶服務，為全球經濟至少增加1.5萬億美元產值。歐盟在“2030數字羅盤”計劃中提出，2030年75%的歐盟企業將使用云計算服務、大數據和人工智能；90%以上的中小企業將達到基本的數字化水平。韓國總統辦公室稱新能源汽車制造商特斯拉將擴大與韓合作，計劃未來將在韓國新建亞洲第二個特斯拉超級工廠。中國工業和信息化部表示，2023年中國將繼續堅持智能制造主攻方向，推進智能制造裝備、工業軟件、系統解決方案創新發展，加強5G、人工智能、工業互聯網等數字基礎設施建設。

3.可持續制造成為未來發展的重要方向

高德納公司（Gartner）發布《2023年十大戰略技術趨勢》報告指出，受到環境、社會和治理的影響，使用可持續技術將成為制造商、政府等共同的責任，可持續是貫穿2023年所有戰略技術的重要趨勢。2022年美國發布《通脹削減法案》《兩黨基礎設施法》《先進制造業國家戰略》等，表示將在今后提供大量資源和激勵措施以實現清潔和可持續的制造，幫助實現氣候和清潔能源目標，助力脫碳。IDTechEx研究公司在《持續電子制造：2023-2033》報告中指出，預計未來10年，將會有20%的制造印刷電路板（PCB）用更可持續的方法制造。