世界新材料
宮學源，國務院發展研究中心國際技術經濟研究所 研究一室 副主任
世界新材料領域2019年發展態勢
美日韓積極佈局新材料研發，爭奪未來競爭優勢。美國國家標準技術研究院為小企業創新研究（SBIR）計劃提供400萬美元資助，推動石墨烯器件、增材製造工藝、納米粒子處理和生物材料製備等新材料技術加速突破。日本科學技術振興機構（JST）研發策略中心（CRDS）提出“下一代生物材料工程”戰略建議，旨在創造適應生物學環境並與生物體實現交互作用的生物自適應材料。韓國科學技術信息通信部宣佈“2019年納米材料領域技術開發的實施計劃”，旨在系統性支持具有人腦計算能力的未來半導體新器件核心技術開發，研究具有新特性與新功能的未來材料。
信息材料技術向高性能、低功耗方向發展。美國斯坦福大學研究人員將聚合物基氧化還原晶體管與導電橋存儲器（CBM）進行集成，研製出名為“離子浮柵內存”（IFG）的非易失性、可尋址的突觸存儲器，該存儲器能效比現有計算技術的能效高一個數量級，能夠支持超過1兆赫的讀寫頻率。英國卡迪夫大學科學家採用分子束外延（MBE）方法，成功開發出一種由化合物半導體組成的雪崩光電二極管（APD），新型APD具有靈敏度超高、數據傳輸速度快等特點，未來有望大規模應用於激光雷達、3D激光測繪、自動駕駛和地震預測等領域。
新能源材料技術不斷突破，加速推動產業變革。日本東北大學和高能加速器研究組織的科學家通過設計氫簇（複合陰離子）結構，開發出一種對鋰金屬具有極高穩定性的新型複合氫化鋰超離子導體，有望使鋰金屬成為全固態電池陽極材料，催生出迄今能量密度最高的全固態電池。美國卡內基梅隆大學研究人員通過設計包含鋰微粒的雙導電聚合物/碳複合基質，開發出一種更高容量、更安全的新型半液態鋰金屬陽極，新型半液態陽極與石榴石基固體陶瓷電解質相結合，有望使能量密度較傳統固體電解質-鋰箔電池高10倍。
生物技術與新材料技術深度融合，助力可持續發展。芬蘭阿爾託大學和國立技術研究中心的科學家合作，利用木纖維和蜘蛛絲製備出能夠完全生物降解的新型複合材料，有望在未來作為石化塑料的替代品應用。美國賓夕法尼亞州立大學科學家利用大腸桿菌批量生產具有自癒合、導熱和導電等特性的烏賊環齒（SRT）蛋白，SRT蛋白可用於製造堅韌、柔軟和可生物降解的塑料，以及開發生物傳感器或可穿戴設備。美國羅切斯特大學研究人員將尿素、鈣源與細菌混合，成功在一天的時間內開發出僅有5微米厚度的人工珍珠母塗層，未來可用於開發人造骨和其他植入物。
世界新材料領域2020年趨勢展望
美日歐加速推動信息技術與新材料技術融合。眾多研究成果表明，機器學習、量子計算等先進信息技術能夠帶來科研範式的巨大變革，使新材料研發速度提升百倍、千倍。近年來，美國、日本、英國和德國等國家紛紛資助研究項目，推動先進信息技術在材料研究中的應用，以加速新材料研發過程，旨在爭奪未來科技競爭制高點。2020年，美國能源部將通過資助研究項目，推動量子信息、機器學習在材料和化學研發中的應用，德國聯邦教育與研究部將聯合弗朗霍夫研究所、萊布尼茨研究所和馬克斯普朗克研究所等研究機構推進材料數字平臺（MaterialDigital）建設。
輕量化、智能化成為新材料技術發展潮流。隨著全球可持續發展理念進一步深化，世界各國對碳排放進一步收緊，輕量化已成為新材料技術發展的最大趨勢之一。2020年，輕質高強的鎂合金、碳纖維、水凝膠以及超材料等技術將加速突破，引領汽車、消費電子和航空航天等產業深度變革。例如，2020年美國4M碳纖維公司將與西班牙Montefibre公司合作生產低成本工業級碳纖維。同時，隨著萬物互聯、物聯網、工業互聯網等概念的加速落地，新材料技術正加速向智能化方向發展。2020年，自修復材料、自適應材料、新型傳感材料、4D打印材料等智能材料技術將大量湧現，為生物醫療、國防軍事以及航空航天等領域發展提供支撐。例如，2020年美國國防部計劃將一種可“瞬間自毀”的智能聚合物材料應用於軍事任務中。
世界先進製造
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
世界先進製造領域2019年發展態勢
多國出臺新政策和規劃，力促先進製造業發展。美國發布未來工業發展規劃，提出重點發展人工智能、先進製造業、量子信息科學和5G技術，並計劃採取系列措施減少創新監管障礙，確保美國能夠主宰未來工業，促進繁榮和保護國家安全。德國發布《國家工業戰略2030》，提出對經濟至關重要的九大關鍵領域進行重點扶持，旨在提高工業產值，保證德國工業在歐洲乃至全球的競爭力。日本發佈《製造業白皮書2018》，建議在製造業採用人工智能等技術，將工匠的生產技能數字化，加緊實現技術傳承，促進員工高效學習、掌握先進技能。
機器人技術迭代加快，市場規模穩中有進。2019年，全球機器人基礎與前沿技術迭代迅速，主要圍繞人工智能、人機協作和仿生結構展開。美國人工智能研究組織OpenAI的機器手Dactyl採用強化學習模式，具有自學習特性，無需特定任務編程和頻繁人工干預，在4分鐘內成功還原三階魔方，向真正的人工智能機器人邁進了一步，未來或將自動適應各種場景，處理各類實際任務。麻省理工學院開發出一種新型機械臂系統Roboraise，可通過附著在人類二頭肌、三頭肌上的非侵入性肌電圖傳感器跟蹤肌肉活動，對人類手臂動作實時複製，與人類實現無縫配合。美國波士頓動力公司人型機器人Atlas性能大幅提升，可完成倒立、翻滾、360°水平跳轉等複雜體操動作，且能夠在狹窄、崎嶇的複雜地形中實現自主導航，有望在災難救援中發揮重要作用。
3D打印技術與設備持續創新，更加註重高效與安全。中美高校合作開發出納米級飛秒投影雙光子光刻3D打印技術，能夠在不犧牲分辨率的情況下實現微小結構的高速製造，速度比已有的雙光子光刻技術快1000倍。美國北卡羅來納大學研發出可一次性打印完整物體的3D打印系統，無需像常規設備逐層打印，比傳統的3D打印更靈活，打造出來的結構表面也更光滑。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室和加州大學開發新技術，能將金屬3D打印的殘餘應力降低90%，可大幅提升金屬3D打印零件機械性能。美國伊利諾伊大學芝加哥分校開發出無需支架即可3D打印生物組織的新技術，有助於解決生物3D打印中支架降解時機難把握、降解產生有毒副產品等問題。
5G賦能智能製造，與工業融合成為重要趨勢。瑞典愛立信與ABB合作推動5G網絡切片（Network Slicing）在汽車、電子等垂直行業的合作標準制定和應用服務，以期通過5G和工業互聯網提高工廠自動化程度。日本歐姆龍、芬蘭諾基亞、日本移動通信運營商NTT DOCOMO達成合作協議，將在歐姆龍公司進行5G技術試驗，打造未來工廠。英國在伍斯特市的博世工廠中開啟首次5G工廠試驗，旨在利用5G技術提高產量，並通過物聯網傳感器和數據分析確定潛在故障，提前制定預防性維護措施。
世界先進製造領域2020年趨勢展望
機器人技術應用落地，與各領域融合不斷深入。美海軍擬在2020年採購外骨骼機器人“Guardian XO”，該機器人採用電池供電，無電線電纜束縛，能實現完全獨立運行，運行功率不到400瓦，使用時間長達8小時，其佩戴者可提起200磅的重物。美國波士頓動力公司首批1000個Spot機器人將於2020年夏季交付客戶，該機器人具備自主導航功能，將在建築、快遞、安全和家庭4個領域實現應用。美國加州大學伯克利分校開發出低成本工業機械臂Blue，重量僅為8.7千克，連續有效載荷為2千克，具有7個自由度，在工作時能夠感受外力，並隨之調整力度，該機械臂成本僅為3000美元，預計量產版將在2020年開售。
政策與技術雙重支持，促進自動駕駛汽車發展。日本《道路運輸車輛法》修正案將於2020年5月起實施，該法案規定了自動駕駛安全標準，為2020年實現3級自動駕駛實用化做準備。日本相關企業也在加快技術開發，預計2020年實現高速公路自動駕駛的實用化。特斯拉自研的自動駕駛芯片，可快速處理大量圖像和視頻，性能較之前版本提高20倍，有效降低耗能，節約成本，已開始逐步安裝至特斯拉車輛。豐田汽車將於2020年7月~9月，面向東京都內大眾提供自動駕駛試驗車TRI-P4的同乘體驗。英特爾子公司Mobileye擬於2020年在以色列展開 “自動駕駛出租車”的試點服務。
智能工廠建設推進，助力企業智能轉型。日本發那科將投資約15億元人民幣，利用IoT、AI等智能製造技術，在上海建設集生產、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。諾基亞在芬蘭建造了一座“未來智能工廠”，已運用4G LTE網絡使某些產線的自動化率達到約99%，未來還將逐步升級到5G連接。美國普惠公司啟動互聯工廠試點項目，將構建數字化環境，以使整個運營過程實現端到端的可視化，優化物料流轉，提高設備利用率，進而提高生產力，快速、低成本地向客戶交付高質量產品。
人工智能與製造業加速融合。中國機器人智能物流公司Geek+，將人工智能和機器人技術賦能物流倉儲行業，開發出基於“極智雲腦”的柔性無人倉整體解決方案，優化揀選、搬運、分揀等倉儲物流環節，提高倉庫效率，降低人工成本及勞動強度。美海軍研究署支持開發的增材製造機器學習軟件Senvol ML已在海軍、國防後勤局等實現應用。該軟件可通過數據驅動的機器學習算法獲取工藝參數、特徵、材料屬性、機械性能之間的量化關係，結合加工設備條件及產品要求，無需試驗或試錯即可直接確定適合的增材製造工藝參數，節省大量時間和成本。德國卡爾斯魯厄技術學院正在開發一種基於人工智能的敏捷生產系統，採用特殊的學習算法，可充分利用人工智能和已有技術知識進行自主學習，動態響應制造需求並確定最佳解決方案。該研究項目由卡爾蔡司基金會資助，將持續到2024年2月。
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