包含3D打印，2022年先进制造领域前沿科技发展态势及2023年趋势展望

作者：董蓉 国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究五室，助理分析员

一、世界先进制造领域2022年态势总结
多国出台先进制造业战略，加码先进制造业投资和研究力度。美国白宫国家科学与技术委员会发布新版《先进制造业国家战略》报告，提出今后四年美国先进制造业发展的三大战略目标和11条具体措施；白宫宣布实施《推进增材制造计划》，以提高供应链韧性和安全。英国国家研究与创新署将在三年内通过“基础设施基金”向包含先进制造在内的多项重大科研项目投入4.81亿英镑，用于购买尖端设备。韩国产业通商资源部通过《2022年智能机器人实行计划》，将持续对工业和服务业机器人进行投资和支持。中国工业和信息化部印发《“十四五”智能制造发展规划》，提出推进智能制造发展的总体路径。


人工智能赋能先进制造凸显实效，机器算法全面提升制造业水平。美国太平洋西北国家实验室构建的机器学习工具可以预测制造过程中对材料产生的影响，加速先进制造技术的发展；卡内基·梅隆大学使用触觉传感器和机器学习改进了机器人操纵织物的方式；马里兰大学利用机器学习促进预测模型的构建，加速软机器人设计流程；斯坦福大学开发出内设机器学习模型的新型外骨骼机器人靴子，大幅提高穿戴者的行走速度和穿戴舒适度；加州大学伯克利分校等机构开发出的强化学习模型，提高了四足机器人守门员的技能水平。日本京都大学和名古屋大学联合开发出可自我进化的机器人设计自动化系统。中国上海科技大学开发出由人工智能驱动的人机界面系统M-Bot，可以帮助机器手实现对触觉和温度的感知，并对有毒物进行现场采样和实时分析。


自然生物学助力先进制造创新，仿生机器人受到高度关注。美国耶鲁大学模仿龟类运动形态，开发出具有自适应形态的四足两栖机器人；加州大学伯克利分校推出一种可垂直自我挖掘的仿鼹鼠蟹机器人。英国萨里大学设计出一款可在水中收集塑料颗粒的仿生机器鱼。日本理化学研究所开发出太阳能驱动的活体蟑螂机器人。韩国高丽大学开发出多孔水凝胶制成的微型水上昆虫型机器人；机械与材料研究所开发出世界首个能够进行所有抓取动作的仿象鼻夹吸式抓手。

3D打印技术持续取得突破，推动各行业科技进步。美国麻省理工学院开发出一种新的热处理方法，可有效改善3D打印金属的微观结构，使得3D打印发动机叶片成为可能；得克萨斯农工大学使用食盐3D打印可降解聚合物；橡树岭国家实验室利用深度学习加速3D打印的CT扫描过程，同时提高结果准确性。德国波鸿鲁尔大学的研究人员利用双光子聚合3D打印技术成功模拟出纳米尺度上的生物结构。俄罗斯乌拉尔联邦大学和俄罗斯科学院乌拉尔分院通过3D打印制造出微型永磁体。中国科学院大连化学物理研究所开发出具有强大循环稳定性和超高面能量密度的全3D打印锂金属电池。

二、世界先进制造领域2023年趋势展望
增材制造技术应用更加广泛，应用空间和市场规模预计持续增长。Wohlers的最新数据显示，未来5年全球增材制造市场规模年均复合增长率预计将超过20.5%，到2030年，市场规模将达到853亿美元。美国国防部正在寻求将增材制造工艺应用于复杂高超声速武器零部件中的解决方案。通用电气有望成为第一个将3D打印底座的风力涡轮机商业化的公司，该公司在2019年10月完成了第一台原型机，并计划在2023年投入生产。福布斯最新文章指出，2023年增材制造和数字孪生将结合的更为紧密，而工程师可以在虚拟世界中对组件进行调整和编辑，再使用3D打印技术在现实世界中创建它们。


工业智能化进入快速发展阶段，数字基础设施推动制造业加速升级。Global Info Research的调研数据显示，2022-2028年，全球工业智能化预计将以6.4%的年均复合增长率增长，到2028年收入将超过3000亿美元。Capgemini Research Institute的研究数据表明，2023年智能工厂可以通过提高生产率、提高质量和市场份额以及客户服务，为全球经济至少增加1.5万亿美元产值。欧盟在“2030数字罗盘”计划中提出，2030年75%的欧盟企业将使用云计算服务、大数据和人工智能；90%以上的中小企业将达到基本的数字化水平。韩国总统办公室称新能源汽车制造商特斯拉将扩大与韩合作，计划未来将在韩国新建亚洲第二个特斯拉超级工厂。中国工业和信息化部表示，2023年中国将继续坚持智能制造主攻方向，推进智能制造装备、工业软件、系统解决方案创新发展，加强5G、人工智能、工业互联网等数字基础设施建设。


可持续制造成为未来发展的重要方向。Gartner发布《2023年十大战略技术趋势》报告指出，受到环境、社会和治理（ESG）的影响，使用可持续技术将成为制造商、政府等共同的责任，可持续是贯穿2023年所有战略技术的重要趋势。2022年美国发布《通胀削减法案》《两党基础设施法》《先进制造业国家战略》等，表示将在今后提供大量资源和激励措施以实现清洁和可持续的制造，帮助实现气候和清洁能源目标，助力脱碳。IDTechEx研究公司在《持续电子制造：2023—2033》报告中指出，预计未来十年，将会有20%的制造印刷电路板（PCB）用更可持续的方法制造。