2020年前沿科技发展趋势及2021年趋势展望——先进制造
2020年世界先进制造业状况综述
受新冠肺炎疫情影响，全球制造业发展低迷。2020年，全球制造业受到新冠肺炎疫情的严重影响。上半年制造业处于严重萎缩状态。5月份，全球制造业PMI指数跌破40%，为2018年以来的最低点。下半年全球经济开始复苏，制造业慢慢回暖。世界主要国家采取各种措施刺激发展，对冲疫情影响。美国推出“公共企业贷款计划”，支持受疫情影响的中小企业。英国通过降息、分配资金、制定创业就业计划等措施应对失业潮。欧盟签署了总额为5400亿欧元的紧急救助计划，计划采取措施吸引制造业回流，减少供应链的对外依赖。随着德国信贷的扩大，国家为企业提供无限的贷款额度，同时为小微企业提供500亿欧元的紧急援助，保障就业。
5G技术赋能工业领域，推动智能制造新发展。英国投资900万英镑启动了名为“5G-Encode”的5G技术与制造一体化项目，该项目将探索工业环境下专用5G网络的新商业模式，并研究5G在改善复合材料设计和生产过程中的实际应用。现代重工集团与电信运营商KT合作开发基于5G网络的先进智能造船厂解决方案，进一步完善自主机器人技术，提高效率和安全性。法国施耐德电气和Orange Telecom在Le Vaudreuil工厂部署了工业领域的室内5G通信基础设施网络，通过5G技术将增强现实技术应用于运维活动，并部署远程机器人实现远程观察，旨在将5G技术应用于现代工业环境，创建可靠、可扩展和可持续的连接解决方案，以满足未来的工业需求。英国电信与伍斯特郡5G测试平台合作，加速建设实时5G专用网络，推动实现制造过程的智能化、动态化和全自动化，促进工业4.0和智能制造的发展。
孪生技术和解决方案大大提高了制造效率。美国Authentist公司将Nebumind公司的数字孪生工具集成到制造执行系统中，生成“数字孪生”可视化效果。它将3D打印设备的参数和传感器数据与原始零件几何形状融合，帮助用户识别每个零件的问题区域，提高检查效率，并将返工要求的识别速度提高10倍。南卡罗来纳大学为美国海军舰船开发了一种“数字孪生”系统，以提高美国海军舰船电力系统和平台的韧性、效率、适应性和自主性，并为舰船上昂贵的电气组件提供实时监控和预测性维护。英国航空航天系统公司采用数字孪生技术设计并测试了第六代战斗机“风暴”的概念外形。与此同时，试飞员能够在陆基模拟器上驾驶战斗机。数字孪生还可以为飞机全生命周期的各个方面提供支持。
3D打印技术和成果不断更新，在行业中的应用也逐渐深入。美国马萨诸塞大学开发了一种结合注射成型元素的3D打印新技术。这种方法首先3D打印壳体结构，然后向空的型腔内注射塑料进行填充。它的印刷速度比传统的FDM技术快三倍。橡树岭国家实验室利用3D打印技术在3个月内完成了核反应堆原型的设计和制造，并在制造过程中利用持续监控和人工智能技术改进了原型反应堆的设计，进一步评估材料和性能。美国3D打印初创公司相对论空间(Relativity Space)完成了其3D打印火箭发动机Aeon 1的首次地面全循环点火运行实验。AE1包含100多个零件，平均制造周期只有一个月，成本和工艺大大降低。美国陆军已经建立了一个项目，通过使用增材制造技术来研发下一代弹药，以增强弹药的穿透力和杀伤力，并帮助实现更高的初速和更远的射程。
2021年世界先进制造业趋势展望
技术与应用齐头并进，商业落地进程加快。基础和前沿技术的迭代速度将继续提升，主要围绕人工智能、人机合作等方向；全球服务机器人市场空广阔，规模将继续扩大。机器人公司波士顿动力(Boston Dynamics)正在积极开发配件，以帮助商业化的Spot机器人应用变得更加多样化。2021年，它将配备机械臂，执行开关门和拾取物品等任务，同时配备自充电底座，使其能够在无人环境下返回给自己充电。韩国SK电讯与日本欧姆龙共同开发了一款配备AI、5G、机器人自动控制等前沿技术的防疫AI机器人。这种机器人可以与配备5G网络的服务器实时交换数据，执行建筑物消毒、体温检查、人群疏散等任务。预计这款机器人将从2021年开始出口到国外。
智能工厂的建设促进了制造业的升级和转型。智能工厂作为智能制造的重要载体，已经成为未来制造业发展的必然趋势。2020年，世界经济论坛已评选出54家灯塔工厂作为全球智能工厂标杆。预计2021年全球智能工厂建设步伐将进一步加快。日本发那科集团上海智能工厂三期开建。该工厂将通过发那科的工程集成和技术服务能力及其物联网、AI等智能制造技术，打造集生产、RD、展示、销售、系统集成和服务于一体的机器人超级智能工厂。韩国中小企业和创业部计划到2025年将智能工厂的推广率从22%提高到30%，并增加到1000家。其中，代表不同行业的100家工厂将被选为“灯塔”，并在工业园区建立数字集群，以促进制造业与第一产业和第三产业的融合。
人工智能技术与制造业的深度融合已经成为重要趋势。市场研究机构Research and Markets发布《制造业人工智能——全球至2027年预测》报告指出，在2019年至2027年的预测期内，制造业人工智能技术的年复合增长率可达39.7%，预计到2027年将达到270亿美元。英国信息技术公司AVEVA和加拿大公司Axonify联合推出基于人工智能的微学习解决方案，提供具有丰富增强现实功能的模拟培训和教学设计与课程开发工具的一体化教学平台，是制造业培训领域首个利用人工智能技术对员工进行个性化高效培训的范例。德国开发了一种智能系统，可以监控机器人装配线故障。这套智能系统基于人工智能算法，可以忽略无关的背景噪音，区分多个目标声音，通过监测机器人正常工作时应该发出的声音来判断机器人是否正常工作，从而进行预测性维护。极客+物流机器人公司应用先进的机器人和人工智能技术，依托稳定可靠的硬件和高效的算法，大幅提升全球供应链的智能化水平，让物流更加经济、实用、高效、灵活、安全、敏捷。
支持政策和技术进步，以推动自动驾驶汽车的发展。IDC全球自动驾驶汽车预测报告显示，预计2021年L1~L5自动驾驶汽车全球出货量将达到3605万辆。中国工业和信息化部发布《汽车驾驶自动分类》，自2021年1月1日起正式实施。该文件明确了自动驾驶汽车的分类定义和分类原则，将为后续相关法律法规和标准的出台提供支撑。英国政府计划在2021年将自动驾驶汽车合法化，允许它们在高速公路的慢车道上以不超过每小时112公里的速度行驶。Waymo计划在2021年与俄亥俄州交通研究中心合作，建立一个新的测试场地，覆盖丘陵和密集的城市环境，以便在不寻常或危险的场景中测试自动驾驶汽车。中国无人驾驶卡车公司途胜，未来将由美国卡车制造商纳威司达投资。双方将共同开发L4级无人驾驶卡车，并计划在2024年实现量产。
作者简介
张宇，itei第一研究室研究助理
研究方向:机器人、3D打印、工业互联网、高端装备制造等。
联系人:zhangy@drciite.org
作者张宇
编辑刘进
研究所简介
国际技术经济研究所成立于1985年11月，是隶属于国务院发展研究中心的非营利性研究机构。其主要职能是研究我国经济、科技和社会发展中的重大政策性、战略性和前瞻性问题，跟踪分析世界科技和经济发展趋势，为中央政府和有关部委提供决策咨询服务。“全球科技地图”是国际技术经济研究所的官方微信账号，致力于向公众传递前沿科技信息和科技创新洞察。
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