增材制造、物聯(lián)網(wǎng)、虛實(shí)融合、材料工程、協(xié)作機(jī)器人、人工智能等新興技術(shù)，將給制造業(yè)的發(fā)展帶來顛覆性的變革。這六項(xiàng)新興技術(shù)，每項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展必然都將給制造業(yè)帶來重大改變。在同一時(shí)期，這六大新興技術(shù)都取得了跨越式發(fā)展，而且是交相輝映，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同應(yīng)用，因此能夠幫助應(yīng)用這些關(guān)鍵技術(shù)的企業(yè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)模式、研發(fā)與制造模式、企業(yè)運(yùn)營模式的突破性創(chuàng)新。
這些新興技術(shù)，從開始到目前取得了哪些最新發(fā)展?未來的應(yīng)用趨勢如何?
增材制造(三維打印)
增材制造技術(shù)早期叫做快速成型(Rapid Prototyping)，是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，對(duì)促進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新、縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品競爭力有積極的推動(dòng)作用，主要包括FDM(熔融層積成型)、SLA(立體平版印刷)、SLS(選擇性激光燒結(jié))和DLP(數(shù)字光處理)等技術(shù)。
三維打印是各種快速成型技術(shù)的統(tǒng)稱。快速成型技術(shù)的材料主要是非金屬，主要用于研發(fā)階段的驗(yàn)證。近年來，國內(nèi)外多家企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)已實(shí)現(xiàn)了金屬材料的快速成型，成型的速度、精度不斷提高，材料價(jià)格不斷下降，可以直接制造單件小批的零件，因此，國際上將該技術(shù)領(lǐng)域稱為增材制造(Additive Manufacturing)。
目前，國際主流的增材制造產(chǎn)品和解決方案提供商包括3D systems、Stratasys，以及專注于金屬增材制造的EOS等。最近兩年，主流的IT廠商開始進(jìn)軍該領(lǐng)域，增材制造領(lǐng)域進(jìn)入了快速發(fā)展階段。
例如惠普推出能夠打印真彩色和多種材料的多射流熔融(Multi-Jet Fusion)技術(shù)的3D打印機(jī)(型號(hào)分別是3200和4200)，打印速度比其他三維打印機(jī)快十倍。Autodesk公司則推出基于DLP技術(shù)(數(shù)字光處理，Digital Light Processing)的Ember三維打印機(jī)和開放的Spark三維打印平臺(tái)，并與Windows10操作系統(tǒng)進(jìn)行了集成。
2016年9月，GE出資6.85億美元收購瑞典著名工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)制造商Arcam公司，該公司擁有電子束熔融( EBM)金屬3D打印技術(shù)。全球激光加工巨頭通快集團(tuán)也推出了金屬材料增材制造設(shè)備。
最近，由華中科技大學(xué)張海鷗教授主導(dǎo)研發(fā)的“鑄鍛銑一體化”金屬3D打印技術(shù)，成功制造出了世界首批3D打印鍛件。運(yùn)用該技術(shù)生產(chǎn)零件，其精細(xì)程度比激光3D打印提高50%。同時(shí)，零件的形狀尺寸和組織性能可控，大大縮短產(chǎn)品周期。
全球IT巨頭、制造業(yè)巨頭和學(xué)術(shù)界的共同關(guān)注，市場對(duì)個(gè)性化定制需求的迅速增長，推動(dòng)了增材制造技術(shù)的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。GE在美國匹茲堡設(shè)立了增材制造工廠，西門子則在瑞典設(shè)立了增材制造工廠。
增材制造技術(shù)可以與機(jī)器人加工、CAE分析、拓?fù)鋬?yōu)化、材料創(chuàng)新，以及傳統(tǒng)的切削加工結(jié)合起來，提高制造效率、提升制造精度、顯著降低零件重量、明顯提升零件強(qiáng)度，大幅度降低制造成本。
德國機(jī)床巨頭DMG MORI已率先推出增材制造和切削加工實(shí)現(xiàn)混合制造的加工中心。全球設(shè)計(jì)軟件領(lǐng)導(dǎo)廠商Autodesk公司推出衍生設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了增材制造技術(shù)與拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的集成應(yīng)用。美國的高端運(yùn)動(dòng)品牌Under Armour已經(jīng)使用了Autodesk衍生設(shè)計(jì)和增材制造技術(shù)來制造運(yùn)動(dòng)鞋。
物聯(lián)網(wǎng)
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)( Internet of Things)是目前全球最熱門的技術(shù)領(lǐng)域之一。未來傳感器的數(shù)量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人類的數(shù)量，物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的規(guī)模將遠(yuǎn)大于互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)。制造業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用最重要的領(lǐng)域。思科公司的研究報(bào)告認(rèn)為，制造業(yè)將占整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)市場的27%。
GE公司推出的面向制造業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)Predix受到業(yè)界高度關(guān)注，該平臺(tái)可以有效支撐物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)應(yīng)用。GE組建了GE數(shù)據(jù)集團(tuán)，力圖將Predix發(fā)展成為制造業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開放云平臺(tái)，最近，GE宣布將Predix平臺(tái)全面開放。
西門子發(fā)布了開放的工業(yè)云平臺(tái)Mindsphere，可以接入各種傳感器的信息，制造企業(yè)可將其作為數(shù)字化服務(wù)，例如預(yù)測性維護(hù)、能源數(shù)據(jù)管理以及工廠資源優(yōu)化的基礎(chǔ)。
美國PTC公司則形成了以物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)ThingWorx為基礎(chǔ)的整體解決方案。
三一重工則結(jié)合自身在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面的長期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，推出了“樹根互聯(lián)平臺(tái)”，打造本土的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)已交付給客戶的產(chǎn)品傳感器參數(shù)的采集，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)和智能服務(wù)，可以促進(jìn)產(chǎn)品的備品備件銷售，避免產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)異常停機(jī)，具有廣闊的發(fā)展空間。
下圖是一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的預(yù)測性維護(hù)服務(wù)的典型案例：
(基于物聯(lián)網(wǎng)的預(yù)測性服務(wù)案例)
虛實(shí)融合技術(shù)
西門子、PTC和達(dá)索系統(tǒng)三大PLM(產(chǎn)品全生命周期管理)技術(shù)主流廠商紛紛強(qiáng)調(diào)Digital Twin(虛實(shí)融合)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際產(chǎn)品和數(shù)字產(chǎn)品模型的虛實(shí)融合，實(shí)際裝備和裝備的數(shù)字化模型的虛實(shí)融合，以及實(shí)際車間與數(shù)字化車間的虛實(shí)融合。
沈陽機(jī)床集團(tuán)的i5機(jī)床實(shí)現(xiàn)了加工中心的真實(shí)加工過程和數(shù)字模擬的加工過程的虛實(shí)融合，通過手機(jī)掃描二維碼，可以在加工中心進(jìn)行實(shí)際產(chǎn)品加工時(shí)，在手機(jī)上看到對(duì)產(chǎn)品的三維模型進(jìn)行的加工仿真。
產(chǎn)品的虛實(shí)融合技術(shù)使企業(yè)可以從實(shí)際產(chǎn)品中，通過傳感器和物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)字產(chǎn)品模型進(jìn)行仿真分析，從而實(shí)現(xiàn)不僅知其然，而且知其所以然，幫助企業(yè)改進(jìn)產(chǎn)品。
海爾膠州工廠應(yīng)用了車間的虛實(shí)融合技術(shù)，可以將車間的三維數(shù)字模型與MES系統(tǒng)反饋的設(shè)備狀態(tài)等實(shí)時(shí)信息結(jié)合起來，展示出車間的實(shí)時(shí)狀態(tài)，為企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)提供了新的途徑。
協(xié)作機(jī)器人(COBOT)
以往，工業(yè)機(jī)器人都是與人隔開，孤立地工作。2015年，abb推出雙臂的14軸協(xié)作機(jī)器人YUMI，可以幫助電子工業(yè)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)小件裝配的自動(dòng)化應(yīng)用，將人與機(jī)器人并肩合作變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
博世也推出協(xié)作機(jī)器人APAS，它是協(xié)作機(jī)器人中首個(gè)獲得認(rèn)證的助理系統(tǒng)，可以協(xié)助人類工作，且無需任何額外的防護(hù)。機(jī)器人的保護(hù)皮衣是觸覺檢測裝置，當(dāng)檢測到人靠近時(shí)，其會(huì)自動(dòng)降低運(yùn)行速度;在人離開該區(qū)域后，機(jī)器人會(huì)白動(dòng)恢復(fù)正常速度。未來的制造模式并不是機(jī)器換人，而是人機(jī)協(xié)作。
目前歐洲普大多數(shù)人認(rèn)為協(xié)作機(jī)器人的應(yīng)用將徹底改變未來工廠的生產(chǎn)組織和工人的工作方式。
材料工程
世界材料產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值以每年約30%的速度增長，化工新材料、微電子、光電子、新能源是研究最活躍、發(fā)展最快的新材料領(lǐng)域，復(fù)合材料的應(yīng)用越來越廣闊。圍繞著材料創(chuàng)新，國內(nèi)外都在開展產(chǎn)學(xué)研的協(xié)作。
復(fù)合材料的制造工藝與傳統(tǒng)的金屬材料制作工藝和制造裝備差別很大。既能夠保持材料的強(qiáng)度，又能夠減輕重量，是復(fù)合材料的一大優(yōu)勢。眾所周知，波音787飛機(jī)復(fù)合材料的使用率已經(jīng)達(dá)到了50%。
國際著名PLM研究機(jī)構(gòu)CIMDATA已經(jīng)將材料工程作為產(chǎn)品創(chuàng)新平臺(tái)的核心組成部分。在美國國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)中，已建成的九個(gè)研究所中，就包括了輕型現(xiàn)代金屬制造業(yè)創(chuàng)新研究所、復(fù)合材料制造創(chuàng)新研究所、革命性纖維和紡織品創(chuàng)新制造研究所等與材料創(chuàng)新直接相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)，足以說明美國對(duì)材料創(chuàng)新的重視。
人工智能技術(shù)
IBM非常重視人工智能技術(shù)的研究，提出了認(rèn)知計(jì)算( Cognitive Computing)理念，應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)。
在2016年漢諾威工業(yè)展上，IBM展出了認(rèn)知計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的應(yīng)用。首先通過物聯(lián)網(wǎng)對(duì)生產(chǎn)過程設(shè)備工況工藝參數(shù)等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，再對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量缺陷進(jìn)行檢測和統(tǒng)計(jì);然后在離線狀態(tài)下，利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)挖掘產(chǎn)品缺陷與物聯(lián)網(wǎng)歷史數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，形成控制規(guī)則;接下來在在線狀態(tài)下，通過增強(qiáng)學(xué)習(xí)技術(shù)和實(shí)時(shí)反饋，控制生產(chǎn)過程減少產(chǎn)品缺陷;最后集成專家經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)學(xué)習(xí)結(jié)果。
另外，語音識(shí)別技術(shù)在制造業(yè)也開始得到應(yīng)用，例如Honeywell推出了語音揀貨技術(shù)。華中科技大學(xué)李德群院士開發(fā)的智能注塑機(jī)，也采用了人工智能技術(shù)來計(jì)算最優(yōu)化的工藝參數(shù)，從而大大提高產(chǎn)品的合格率，顯著降低能耗。
以上分析的六項(xiàng)新興技術(shù)，每項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展都給制造業(yè)帶來重大變革。在同一時(shí)期，這六大新興技術(shù)都取得了跨越式發(fā)展，而且是交相輝映，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同應(yīng)用，因此能夠幫助應(yīng)用這些關(guān)鍵技術(shù)的企業(yè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)模式、研發(fā)與制造模式、企業(yè)運(yùn)營模式的突破性創(chuàng)新。
這昭示著，制造業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了技術(shù)大變革時(shí)代。這個(gè)時(shí)代對(duì)創(chuàng)新者會(huì)帶來極大的機(jī)遇，而保守者則會(huì)加速退出歷史舞臺(tái)。
制造業(yè)與七大新興技術(shù)的關(guān)系
人類經(jīng)歷了青銅器時(shí)代、工業(yè)時(shí)代、計(jì)算機(jī)時(shí)代，每一次時(shí)代的更替，每一項(xiàng)新技術(shù)的興起，都促使生產(chǎn)力水平的提升與制造效率的變革。未來，那些改變我們生產(chǎn)方式和人類發(fā)展進(jìn)程的新興技術(shù)，將繼續(xù)和更加令人振奮。
1 燃料電池汽車
燃料電池汽車算是電動(dòng)汽車的一種，但本質(zhì)上的區(qū)別卻很大。
好比現(xiàn)在被廣泛運(yùn)用到手機(jī)領(lǐng)域的快速充電體驗(yàn)一樣，燃料電池的優(yōu)點(diǎn)是可以在幾分鐘的極短時(shí)間內(nèi)給電池灌滿燃料，從而省去了長時(shí)間充電的麻煩。其原理在于使用氫氧混合燃料代替一般的化學(xué)電池，通常使用補(bǔ)充氫氣的方式來進(jìn)行充電，也有一些電廠和叉車等領(lǐng)域使用甲烷和汽油作為電池燃料。
燃料電池汽車的出現(xiàn)，不僅使電動(dòng)汽車的使用變得更加環(huán)保，還大大增強(qiáng)了其使用效率。
2 可循環(huán)利用的熱固性塑料
在不可再生資源逐年銳減的今天，如何發(fā)展可持續(xù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)變成了全世界各行業(yè)都密切關(guān)注的焦點(diǎn)。
而做為現(xiàn)代制造業(yè)中不可或缺的材料，熱固性塑料以其高輕度，耐高溫等特點(diǎn)受到人們青睞，但其無法循環(huán)利用的難題也成為詬病，大部分熱固性聚合物只能變?yōu)槔M(jìn)行填埋。而隨著科技的不斷發(fā)展，熱固性塑料的循環(huán)利用難題也即將得到解決。有研究表明一種名為“聚六氫三嗪”(簡稱PHT)的可循環(huán)利用的新型熱固性聚合物可放入強(qiáng)酸中溶解，從而打破聚合物關(guān)聯(lián)，分離出單體部分，然后重新組合為新產(chǎn)品。
這種可循環(huán)利用的先進(jìn)產(chǎn)品，有望在幾年之內(nèi)取代現(xiàn)有的不可循環(huán)的材料，為未來的制造業(yè)添磚加瓦。
3 精密基因工程技術(shù)
基因工程技術(shù)一直處在科技領(lǐng)域的至高位置，在得到更多矚目的同時(shí)也飽受爭議。值得欣慰的是新的基因工程技術(shù)以漸漸使傳統(tǒng)基因工程問題得到有效改善，特別是在植物的遺傳學(xué)層面實(shí)現(xiàn)了更多重大進(jìn)展。新技術(shù)可以使我們可以直接“編輯”植物的遺傳密碼，提高植物營養(yǎng)成分、讓植物更好地適應(yīng)氣候變化等。
比如CRISPR-Cas9系統(tǒng)可以在抑制不需要基因的基礎(chǔ)上就可以發(fā)揮出與自然變異別無二致的功用;核糖核酸干擾技術(shù)(RNAi)可有效預(yù)防病毒和真菌病原體，保護(hù)植物免受病蟲害，減少對(duì)化學(xué)殺蟲劑的需求。這種技術(shù)還可以惠及主要糧食作物，預(yù)防小麥稈銹病、稻瘟病、馬鈴薯晚疫病、香蕉枯萎病等。提高農(nóng)作物的成活率。
新基因工程技術(shù)，是人類解鎖大自然生命奧秘的鑰匙，相信這種精密的新技術(shù)會(huì)幫助人們在生物醫(yī)藥等領(lǐng)取取得更深層次的突破。
4 分布式制造技術(shù)
分布式制造技術(shù)將顛覆我們的產(chǎn)品生產(chǎn)方式和銷售方式。這種技術(shù)把原材料和生產(chǎn)方式分散化，而產(chǎn)品的最終生產(chǎn)將在終端顧客的身邊完成。
從本質(zhì)上說，分布式制造技術(shù)的概念是盡可能多地用數(shù)字信息取代實(shí)體供應(yīng)鏈。當(dāng)前，分布式制造技術(shù)在使用上高度依賴自助式的“創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)”，即愛好者們利用本地的3D打印機(jī)、用本地的材料來生產(chǎn)產(chǎn)品。這當(dāng)中有開源思維的元素，即消費(fèi)者可以根據(jù)自身需求和喜好來制作個(gè)性化的產(chǎn)品。分布式制造技術(shù)能使當(dāng)前一些模式化的物品變得更為多樣化，比如智能手機(jī)和汽車等等，產(chǎn)品的體積大小也不成問題。
這對(duì)制造業(yè)的突破是非常有啟迪的。
5 能夠“感知和躲避”的無人機(jī)
無人機(jī)技術(shù)已成為現(xiàn)今軍事、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域被廣泛利用，還有望在物流行業(yè)大顯身手。
但截至目前，這些無人機(jī)仍都有人類飛行員，只不過這些飛行員是在地面遠(yuǎn)程操控飛行器的飛行。隨著科技手段的發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)將要開發(fā)可以自主飛行的機(jī)器，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步拓寬。要做到這一點(diǎn)，無人機(jī)必須能感知周圍環(huán)境并做出應(yīng)對(duì)，調(diào)整飛行高度和飛行線路，避免與途中其他物品發(fā)生碰撞。
在自然界中，鳥類、魚類和昆蟲均能成群結(jié)隊(duì)地集合在一起，每一只動(dòng)物幾乎都能與身邊的伙伴同步瞬時(shí)移動(dòng)，并以團(tuán)隊(duì)為單位飛行或游動(dòng)。無人機(jī)不妨對(duì)此加以模仿。
6 神經(jīng)形態(tài)技術(shù)
計(jì)算機(jī)是線性的，主要依靠高速中樞，在中央處理器和存儲(chǔ)芯片之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的來回移動(dòng)。相比之下，人腦則處于全方位的互聯(lián)狀態(tài)，人腦中的邏輯和記憶緊密關(guān)聯(lián)，其密度和多樣性均是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的數(shù)十億倍。神經(jīng)形態(tài)芯片旨在用與傳統(tǒng)硬件完全不同的方式處理信息，通過模仿人腦構(gòu)造來大幅提高計(jì)算機(jī)的思維能力與反應(yīng)能力。神經(jīng)形態(tài)芯片能效更高、性能更強(qiáng)，可將負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理的元件整合到同一個(gè)互聯(lián)模塊當(dāng)中。
從某種意義上說，這一系統(tǒng)與組成人腦的數(shù)十億計(jì)的、相互連接的神經(jīng)元頗為相仿，可更好地處理和應(yīng)對(duì)圖像信號(hào)的無人機(jī)、更為強(qiáng)大、更為智能的相機(jī)和智能手機(jī)、有助于解讀金融市場奧妙或進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)的大規(guī)模數(shù)據(jù)透視。試想，計(jì)算機(jī)可以自主地進(jìn)行預(yù)測和學(xué)習(xí)，而不是僅僅按照預(yù)先編寫好的程序行事。
7 數(shù)字化基因組
排列基因組自古以來就是人類遺傳學(xué)的重要課題，而數(shù)字化基因組的出現(xiàn)，把原本需要花費(fèi)數(shù)年和大筆資金的排序，簡化到幾分鐘，數(shù)百美元就能完成。并且所得數(shù)據(jù)也可以利用電腦設(shè)備輕松傳輸，并通過互聯(lián)網(wǎng)渠道便捷分享。僅僅需要很低成本就能探知我們每個(gè)人的獨(dú)有遺傳結(jié)構(gòu)。不僅如此，有了數(shù)字化技術(shù)之后，醫(yī)生能通過觀察腫瘤的基因結(jié)構(gòu)來決定如何治療癌癥患者。同時(shí)，這一新知識(shí)也有助于制定具有高度針對(duì)性的療法，使精確用藥成為可能，從而改進(jìn)患者特別是癌癥患者的治療效果。
可以說這種新技術(shù)的出現(xiàn)將為進(jìn)一步推動(dòng)醫(yī)療個(gè)性化、改善醫(yī)療效果帶來一場革命。
