智能制造技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展熱點(diǎn)與態(tài)勢
全球智能制造技術(shù)蓬勃發(fā)展，新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向生產(chǎn)和消費(fèi)領(lǐng)域全面滲透，產(chǎn)品、生產(chǎn)流程管理、研發(fā)設(shè)計(jì)、企業(yè)管理、用戶關(guān)系都出現(xiàn)智能化趨勢，大規(guī)模定制化和社會化制造等新的生產(chǎn)組織方式逐步興起。主要工業(yè)化國家均立足本國產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)與傳統(tǒng)優(yōu)勢積極發(fā)展智能制造，尋找制造業(yè)與新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合點(diǎn)。
一、機(jī)器人技術(shù)趨向人機(jī)協(xié)作和精細(xì)操控
從發(fā)展趨勢看，當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)四大趨勢： （1）人機(jī)協(xié) 作，即從與人保持距離作業(yè)向與人自然交互并協(xié)同作業(yè)方面發(fā)展； （2）自主化，即從預(yù)編程、示教再現(xiàn)控制、直接控制、遙操作等被操縱作業(yè)模式向自主學(xué)習(xí)、自主作業(yè)方向發(fā)展；（3）信息化，即從被單向控 制向自己存儲、自己應(yīng)用數(shù)據(jù)方向發(fā)展，像計(jì)算機(jī)、手機(jī)一樣成為信息終端； （4）網(wǎng)絡(luò)化，即從獨(dú)立個(gè)體向相互聯(lián)網(wǎng)、協(xié)同合作方向發(fā)展。 與此相應(yīng)，2017 年 1 月成立的美國先進(jìn)機(jī)器人制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)（ARM1）提出 6 大技術(shù)焦點(diǎn)領(lǐng)域：協(xié)作機(jī)器人、機(jī)器人控制（學(xué)習(xí)和控制）、 靈巧操作、自主導(dǎo)航和機(jī)動(dòng)性、感知能力、測試和驗(yàn)證。近期，美國科學(xué)家在直立行走機(jī)器人、DNA機(jī)器人等方面取得明顯進(jìn)展。
1、研發(fā)出最新型直立行走的機(jī)器人。美國波士頓動(dòng)力公司的工 程師將阿特拉斯機(jī)器人進(jìn)行新算法的提升，并且教會機(jī)器人如何站立時(shí)找到一個(gè)堅(jiān)實(shí)的立足點(diǎn)，可以穿過復(fù)雜的地形。此款人形機(jī)器人已經(jīng)能夠保持身體的平衡，穿越巖石堆，可以分配自身的重量，保持平衡。阿特拉斯機(jī)器人擁有 28 個(gè)液壓操縱關(guān)節(jié)，并且具有立體視覺， 是目前最先進(jìn)的機(jī)器人之一。
2、可以進(jìn)入血液的 DNA 機(jī)器人問世。美國加州理工學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》雜志上刊文，展示一款由 DNA 組成，可在納米級環(huán) 境中完成工作的機(jī)器人。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)出可在人類肉眼無法觸及的微觀世界中完成識別、機(jī)械運(yùn)輸、智能化分揀等一系列復(fù)雜工作的分子機(jī)器人，這種由單鏈 DNA 構(gòu)成的“機(jī)器人”可以自主地在納米級環(huán)境 中“行走”，拾取某些分子并將其在指定位置放下，可以執(zhí)行復(fù)雜的納米力學(xué)任務(wù)。
二、3D打印技術(shù)應(yīng)用日趨廣泛
航空航天、汽車制造以及核電制造等工業(yè)領(lǐng)域?qū)Υ蟪叽鐝?fù)雜精密 構(gòu)件的制造提出更高的要求，開發(fā)大幅面金屬 3D 打印設(shè)備將成為重 要發(fā)展方向，3D 打印將朝著速度更快、精度更高、性能更優(yōu)、質(zhì)量更可靠的方向發(fā)展。
1、俄羅斯成功研制出首臺太空 3D 打印機(jī)。俄羅斯托木斯克理工大學(xué)、俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院強(qiáng)度物理與材料學(xué)研究所、斯科爾科沃科技大學(xué)和俄羅斯“能源”火箭航天集團(tuán)公司，成功研制出首 臺太空 3D 打印機(jī)，能在失重條件下為宇航員打印零部件。俄羅斯薩 馬拉國立航空航天大學(xué)學(xué)生發(fā)明3D 巧克力打印機(jī)，未來還將在此基 礎(chǔ)上研發(fā)其他食品原料打印機(jī)，為宇航員提供更加均衡的膳食。
2、美國研發(fā)出直接金屬書寫工藝。大多數(shù)金屬3D 打印工藝， 如選擇性激光熔化（SLM），使用的是細(xì)金屬粉末，這種工藝存在一 定的局限性，如 3D 打印部件存在間隙或缺陷。美國應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室勞倫 斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室與美國伍斯特理工學(xué)院合作開發(fā)出一種全新 的金屬 3D 打印工藝——直接金屬書寫（DirectMetal Writing）。新方 法使用一種半固體金屬（或稱為剪切稀化材料），這種特殊的金屬材料在靜止時(shí)表現(xiàn)得像固體，但被施加力時(shí)則可以像液體一樣流動(dòng)。直接金屬書寫的主要優(yōu)點(diǎn)在于能省去3D打印部件當(dāng)前必須接受的耗時(shí) 的驗(yàn)證和分析過程，有更高的材料效率，有助于克服基于粉末的金屬 3D 打印技術(shù)的局限性。
市場研究機(jī)構(gòu) Gartner 預(yù)測，2020 年 3D 打印技術(shù)發(fā)展將呈現(xiàn)四 大趨勢： （1）10%的工業(yè)生產(chǎn)將集成自動(dòng)化 3D打印技術(shù)。自動(dòng)化范疇包括 3D 打印技術(shù)與機(jī)器人、機(jī)械臂的結(jié)合，自動(dòng)化控制與檢測等。 代表性技術(shù)：西門子 SiSpis 蜘蛛機(jī)器人。 （2）30%的骨科植入物將在醫(yī)院內(nèi)部或就近 3D打印。由于不同人體之間存在差異，個(gè)性化定制植入物與標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品相比，可以帶來更精準(zhǔn)的治療效果。3D 打印在個(gè) 性化小批量產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域具有優(yōu)勢，日益受到植入物制造領(lǐng)域重視。 （3）應(yīng)用 3D打印技術(shù)將使新產(chǎn)品推向市場的時(shí)間縮短 25%。3D 打 印為企業(yè)新產(chǎn)品研發(fā)帶來快速及低成本的產(chǎn)品原型制造、小批量試制解決方案。受益企業(yè)不僅包括對交貨期極為苛刻的航空制造企業(yè)，還包括依靠創(chuàng)新技術(shù)和新產(chǎn)品推出速度立足于市場的創(chuàng)業(yè)型企業(yè)，如 Nano-Racing 無人機(jī)團(tuán)隊(duì)和 Alta Motor 電動(dòng)摩托車團(tuán)隊(duì)。（4）75%的 制造企業(yè)將使用 3D打印工具。3D 打印將作為傳統(tǒng)制造技術(shù)的補(bǔ)充， 逐漸成為大多數(shù)制造企業(yè)所倚重的技術(shù)。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是直接制造傳統(tǒng)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜產(chǎn)品或小批量產(chǎn)品；二是制造傳統(tǒng)制造技術(shù)所需要的模具、刀具和夾具等。
三、傳感器技術(shù)向無線和智能方向發(fā)展
隨著物聯(lián)網(wǎng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以及 M2M（機(jī)器與機(jī)器互聯(lián)）平臺的興起，目前傳感器技術(shù)研究有三個(gè)重點(diǎn)方向： （1）無線傳感器（UGS），物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域和具體需求布置大量傳感器，傳感器與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)必須采用無線信道傳輸數(shù)據(jù)和通信； （2）智能傳感器，即 MEMS（微型電子機(jī)械系統(tǒng)），這種小體積、低成本、集成化和智能 化傳感系統(tǒng)是未來傳感器的重要發(fā)展方向，也是物聯(lián)網(wǎng)的核心；（3） 無線自組網(wǎng)，采用不需要基站的“對等結(jié)構(gòu)”移動(dòng)通信模式，網(wǎng)絡(luò)中所有聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以在移動(dòng)過程中動(dòng)態(tài)組網(wǎng)。傳感器正朝著尺寸更小、更智能且成本更低的方向發(fā)展，上述三大研究方向?qū)⒅饾u融合，推動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的誕生。
1、用于環(huán)境監(jiān)測的傳感器技術(shù)取得新進(jìn)展。（1）物聯(lián)網(wǎng)智能閥門傳感器可用于遠(yuǎn)程監(jiān)控湖面水位。美國佛羅里達(dá)州 Lakeland 市公 共工程小組利用 Sensus 公司開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)智能閥門傳感器控制湖面高度平衡，建構(gòu)預(yù)防洪災(zāi)及淹水的能力。（2）3D 打印無線傳感器可 用于檢測大面積環(huán)境。沙特阿拉伯 KAUST 大學(xué)提出 3D 打印有制造 低成本、完全集成無線傳感器的潛力，可用于極端環(huán)境條件，如森林火災(zāi)和工業(yè)泄漏。（3）新型化學(xué)納米傳感器可用于快速高效精準(zhǔn)監(jiān)測 環(huán)境。瑞典查爾默斯理工大學(xué)開發(fā)出新型化學(xué)納米傳感器，這種技術(shù)得益于對原子層厚度納米材料的研究，而這種材料對周圍環(huán)境極其敏感。（4）IBM 研發(fā)出實(shí)時(shí)監(jiān)測甲烷泄漏的新型傳感器。傳感器包含激光和玻璃纜線通道，激光吸收甲烷特定波長的光線，芯片將其轉(zhuǎn)換成 電信號，再通過繪制光吸收圖譜來測算甲烷泄漏量。
2、傳感器技術(shù)在設(shè)備檢測中發(fā)揮重要作用。（1）軌道磨損自動(dòng)檢測裝置。由俄羅斯科學(xué)家研發(fā)，激光傳感器圍繞軌道一次性選取 300 個(gè)點(diǎn)，測量其到軌道表面的距離，從而得到高精度數(shù)據(jù)，測量過程僅需 5 秒。 （2）能實(shí)時(shí)測量輪胎磨損的傳感器。由杜克大學(xué)與 Fetch Automotive Design Group 合作設(shè)計(jì)，能以 99％的精確度跟蹤胎面花紋深度的毫米級變化，成本低于 1 美分。 （3）用于建設(shè)城墻監(jiān)測預(yù)警平臺的傳感器。該平臺在江蘇南京城墻沿線重要節(jié)點(diǎn)地段及病害點(diǎn)位布設(shè)傳感器，全天候采集城墻本體裂縫、膨脹、沉降等數(shù)據(jù)變動(dòng)以及 周邊氣象、地質(zhì)、水文等環(huán)境變化。
3、紅外數(shù)字傳感器可自動(dòng)調(diào)節(jié)供電。美國東北大學(xué)研發(fā)了可自 動(dòng)調(diào)節(jié)供電的紅外數(shù)字傳感器。目前，最先進(jìn)的傳感器使用的都是有源電子元件來實(shí)現(xiàn)信號的檢測，即使在沒有信號傳輸?shù)臓顟B(tài)下，它們也會不斷消耗電力，極大地限制了傳感器的使用壽命，間接阻礙了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。而這款紅外數(shù)字化傳感器將打破這一瓶頸，它通過檢測紅外線來實(shí)現(xiàn)對自身的開啟，雖然人眼看不見紅外線，但是生活中如人類、汽車和火等都能發(fā)出紅外線信號，當(dāng)紅外線信號出現(xiàn)時(shí)，該傳感器就自動(dòng)開啟，而當(dāng)信號消失時(shí)，傳感器將自動(dòng)關(guān)閉，進(jìn)入休眠狀態(tài)。一直以來，在惡劣環(huán)境下布局無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，電池壽命問題都是一大核心問題，顯然，此款紅外數(shù)字傳感器為此類問題提供了新的解決辦法和思路。（來源：上?？萍及l(fā)展研究中心）
1ARM 由國防部牽頭，由新成立的國家非營利機(jī)構(gòu)——美國機(jī)器人公司（American Robotics）管理，創(chuàng)始 成員 223 家，建設(shè)資金投入包括聯(lián)邦資金 8000 萬美元，非聯(lián)邦資金 1.73 億美元。ARM 致力于在制造業(yè)關(guān) 鍵的增長領(lǐng)域，包括航空航天、汽車、電子和紡織品等快速采用機(jī)器人技術(shù)，10 年期目標(biāo)包括將工人生產(chǎn) 力提高 30％，在美國創(chuàng)造 51 萬個(gè)新制造業(yè)崗位，確保 30％的中小企業(yè)采用機(jī)器人技術(shù)，并提供主要工業(yè)機(jī)器人制造商將出現(xiàn)的生態(tài)系統(tǒng)。
