1. 首页
  2. 石墨烯新闻

2019年世界前沿科技发展及2020年展望——新材料篇&先进制造技术

来源:全球技术地图

世界新材料

作者简介

宫学源,国务院发展研究中心国际技术经济研究所 研究一室 副主任

019年世界前沿科技发展及2020年展望——新材料篇&先进制造技术"

世界新材料领域2019年发展态势

美日韩积极布局新材料研发,争夺未来竞争优势。美国国家标准技术研究院为小企业创新研究(SBIR)计划提供400万美元资助,推动石墨烯器件、增材制造工艺、纳米粒子处理和生物材料制备等新材料技术加速突破。日本科学技术振兴机构(JST)研发策略中心(CRDS)提出“下一代生物材料工程”战略建议,旨在创造适应生物学环境并与生物体实现交互作用的生物自适应材料。韩国科学技术信息通信部宣布“2019年纳米材料领域技术开发的实施计划”,旨在系统性支持具有人脑计算能力的未来半导体新器件核心技术开发,研究具有新特性与新功能的未来材料。

019年世界前沿科技发展及2020年展望——新材料篇&先进制造技术"

信息材料技术向高性能、低功耗方向发展。美国斯坦福大学研究人员将聚合物基氧化还原晶体管与导电桥存储器(CBM)进行集成,研制出名为“离子浮栅内存”(IFG)的非易失性、可寻址的突触存储器,该存储器能效比现有计算技术的能效高一个数量级,能够支持超过1兆赫的读写频率。英国卡迪夫大学科学家采用分子束外延(MBE)方法,成功开发出一种由化合物半导体组成的雪崩光电二极管(APD),新型APD具有灵敏度超高、数据传输速度快等特点,未来有望大规模应用于激光雷达、3D激光测绘、自动驾驶和地震预测等领域。

019年世界前沿科技发展及2020年展望——新材料篇&先进制造技术"

新能源材料技术不断突破,加速推动产业变革。日本东北大学和高能加速器研究组织的科学家通过设计氢簇(复合阴离子)结构,开发出一种对锂金属具有极高稳定性的新型复合氢化锂超离子导体,有望使锂金属成为全固态电池阳极材料,催生出迄今能量密度最高的全固态电池。美国卡内基梅隆大学研究人员通过设计包含锂微粒的双导电聚合物/碳复合基质,开发出一种更高容量、更安全的新型半液态锂金属阳极,新型半液态阳极与石榴石基固体陶瓷电解质相结合,有望使能量密度较传统固体电解质-锂箔电池高10倍。

019年世界前沿科技发展及2020年展望——新材料篇&先进制造技术"

生物技术与新材料技术深度融合,助力可持续发展。芬兰阿尔托大学和国立技术研究中心的科学家合作,利用木纤维和蜘蛛丝制备出能够完全生物降解的新型复合材料,有望在未来作为石化塑料的替代品应用。美国宾夕法尼亚州立大学科学家利用大肠杆菌批量生产具有自愈合、导热和导电等特性的乌贼环齿(SRT)蛋白,SRT蛋白可用于制造坚韧、柔软和可生物降解的塑料,以及开发生物传感器或可穿戴设备。美国罗切斯特大学研究人员将尿素、钙源与细菌混合,成功在一天的时间内开发出仅有5微米厚度的人工珍珠母涂层,未来可用于开发人造骨和其他植入物。

019年世界前沿科技发展及2020年展望——新材料篇&先进制造技术"

019年世界前沿科技发展及2020年展望——新材料篇&先进制造技术"

世界新材料领域2020年趋势展望

美日欧加速推动信息技术与新材料技术融合。众多研究成果表明,机器学习、量子计算等先进信息技术能够带来科研范式的巨大变革,使新材料研发速度提升百倍、千倍。近年来,美国、日本、英国和德国等国家纷纷资助研究项目,推动先进信息技术在材料研究中的应用,以加速新材料研发过程,旨在争夺未来科技竞争制高点。2020年,美国能源部将通过资助研究项目,推动量子信息、机器学习在材料和化学研发中的应用,德国联邦教育与研究部将联合弗朗霍夫研究所、莱布尼茨研究所和马克斯普朗克研究所等研究机构推进材料数字平台(MaterialDigital)建设。

019年世界前沿科技发展及2020年展望——新材料篇&先进制造技术"

轻量化、智能化成为新材料技术发展潮流。随着全球可持续发展理念进一步深化,世界各国对碳排放进一步收紧,轻量化已成为新材料技术发展的最大趋势之一。2020年,轻质高强的镁合金、碳纤维、水凝胶以及超材料等技术将加速突破,引领汽车、消费电子和航空航天等产业深度变革。例如,2020年美国4M碳纤维公司将与西班牙Montefibre公司合作生产低成本工业级碳纤维。同时,随着万物互联、物联网、工业互联网等概念的加速落地,新材料技术正加速向智能化方向发展。2020年,自修复材料、自适应材料、新型传感材料、4D打印材料等智能材料技术将大量涌现,为生物医疗、国防军事以及航空航天等领域发展提供支撑。例如,2020年美国国防部计划将一种可“瞬间自毁”的智能聚合物材料应用于军事任务中。

世界先进制造

作者简介

张宇,国务院发展研究中心国际技术经济研究所 研究一室 研究助理

019年世界前沿科技发展及2020年展望——新材料篇&先进制造技术"

世界先进制造领域2019年发展态势

多国出台新政策和规划,力促先进制造业发展。美国发布未来工业发展规划,提出重点发展人工智能、先进制造业、量子信息科学和5G技术,并计划采取系列措施减少创新监管障碍,确保美国能够主宰未来工业,促进繁荣和保护国家安全。德国发布《国家工业战略2030》,提出对经济至关重要的九大关键领域进行重点扶持,旨在提高工业产值,保证德国工业在欧洲乃至全球的竞争力。日本发布《制造业白皮书2018》,建议在制造业采用人工智能等技术,将工匠的生产技能数字化,加紧实现技术传承,促进员工高效学习、掌握先进技能。

019年世界前沿科技发展及2020年展望——新材料篇&先进制造技术"

机器人技术迭代加快,市场规模稳中有进。2019年,全球机器人基础与前沿技术迭代迅速,主要围绕人工智能、人机协作和仿生结构展开。美国人工智能研究组织OpenAI的机器手Dactyl采用强化学习模式,具有自学习特性,无需特定任务编程和频繁人工干预,在4分钟内成功还原三阶魔方,向真正的人工智能机器人迈进了一步,未来或将自动适应各种场景,处理各类实际任务。麻省理工学院开发出一种新型机械臂系统Roboraise,可通过附着在人类二头肌、三头肌上的非侵入性肌电图传感器跟踪肌肉活动,对人类手臂动作实时复制,与人类实现无缝配合。美国波士顿动力公司人型机器人Atlas性能大幅提升,可完成倒立、翻滚、360°水平跳转等复杂体操动作,且能够在狭窄、崎岖的复杂地形中实现自主导航,有望在灾难救援中发挥重要作用。

019年世界前沿科技发展及2020年展望——新材料篇&先进制造技术"

3D打印技术与设备持续创新,更加注重高效与安全。中美高校合作开发出纳米级飞秒投影双光子光刻3D打印技术,能够在不牺牲分辨率的情况下实现微小结构的高速制造,速度比已有的双光子光刻技术快1000倍。美国北卡罗来纳大学研发出可一次性打印完整物体的3D打印系统,无需像常规设备逐层打印,比传统的3D打印更灵活,打造出来的结构表面也更光滑。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室和加州大学开发新技术,能将金属3D打印的残余应力降低90%,可大幅提升金属3D打印零件机械性能。美国伊利诺伊大学芝加哥分校开发出无需支架即可3D打印生物组织的新技术,有助于解决生物3D打印中支架降解时机难把握、降解产生有毒副产品等问题。

019年世界前沿科技发展及2020年展望——新材料篇&先进制造技术"

5G赋能智能制造,与工业融合成为重要趋势。瑞典爱立信与ABB合作推动5G网络切片(Network Slicing)在汽车、电子等垂直行业的合作标准制定和应用服务,以期通过5G和工业互联网提高工厂自动化程度。日本欧姆龙、芬兰诺基亚、日本移动通信运营商NTT DOCOMO达成合作协议,将在欧姆龙公司进行5G技术试验,打造未来工厂。英国在伍斯特市的博世工厂中开启首次5G工厂试验,旨在利用5G技术提高产量,并通过物联网传感器和数据分析确定潜在故障,提前制定预防性维护措施。

019年世界前沿科技发展及2020年展望——新材料篇&先进制造技术"

019年世界前沿科技发展及2020年展望——新材料篇&先进制造技术"

世界先进制造领域2020年趋势展望

机器人技术应用落地,与各领域融合不断深入。美海军拟在2020年采购外骨骼机器人“Guardian XO”,该机器人采用电池供电,无电线电缆束缚,能实现完全独立运行,运行功率不到400瓦,使用时间长达8小时,其佩戴者可提起200磅的重物。美国波士顿动力公司首批1000个Spot机器人将于2020年夏季交付客户,该机器人具备自主导航功能,将在建筑、快递、安全和家庭4个领域实现应用。美国加州大学伯克利分校开发出低成本工业机械臂Blue,重量仅为8.7千克,连续有效载荷为2千克,具有7个自由度,在工作时能够感受外力,并随之调整力度,该机械臂成本仅为3000美元,预计量产版将在2020年开售。

政策与技术双重支持,促进自动驾驶汽车发展。日本《道路运输车辆法》修正案将于2020年5月起实施,该法案规定了自动驾驶安全标准,为2020年实现3级自动驾驶实用化做准备。日本相关企业也在加快技术开发,预计2020年实现高速公路自动驾驶的实用化。特斯拉自研的自动驾驶芯片,可快速处理大量图像和视频,性能较之前版本提高20倍,有效降低耗能,节约成本,已开始逐步安装至特斯拉车辆。丰田汽车将于2020年7月~9月,面向东京都内大众提供自动驾驶试验车TRI-P4的同乘体验。英特尔子公司Mobileye拟于2020年在以色列展开 “自动驾驶出租车”的试点服务。

019年世界前沿科技发展及2020年展望——新材料篇&先进制造技术"

智能工厂建设推进,助力企业智能转型。日本发那科将投资约15亿元人民币,利用IoT、AI等智能制造技术,在上海建设集生产、研发、展示、销售、系统集成与服务为一体的机器人超级智能工厂。诺基亚在芬兰建造了一座“未来智能工厂”,已运用4G LTE网络使某些产线的自动化率达到约99%,未来还将逐步升级到5G连接。美国普惠公司启动互联工厂试点项目,将构建数字化环境,以使整个运营过程实现端到端的可视化,优化物料流转,提高设备利用率,进而提高生产力,快速、低成本地向客户交付高质量产品。

019年世界前沿科技发展及2020年展望——新材料篇&先进制造技术"

人工智能与制造业加速融合。中国机器人智能物流公司Geek+,将人工智能和机器人技术赋能物流仓储行业,开发出基于“极智云脑”的柔性无人仓整体解决方案,优化拣选、搬运、分拣等仓储物流环节,提高仓库效率,降低人工成本及劳动强度。美海军研究署支持开发的增材制造机器学习软件Senvol ML已在海军、国防后勤局等实现应用。该软件可通过数据驱动的机器学习算法获取工艺参数、特征、材料属性、机械性能之间的量化关系,结合加工设备条件及产品要求,无需试验或试错即可直接确定适合的增材制造工艺参数,节省大量时间和成本。德国卡尔斯鲁厄技术学院正在开发一种基于人工智能的敏捷生产系统,采用特殊的学习算法,可充分利用人工智能和已有技术知识进行自主学习,动态响应制造需求并确定最佳解决方案。该研究项目由卡尔蔡司基金会资助,将持续到2024年2月。

原创文章,作者:汽车材料网,如若转载,请注明出处:http://www.zgsmx.cn/5079.html

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注