智能制造技术领域发展热点与态势

全球智能制造技术蓬勃发展，新一代互联网技术向生产和消费领域全面渗透，产品、生产流程管理、研发设计、企业管理、用户关系都出现智能化趋势，大规模定制化和社会化制造等新的生产组织方式逐步兴起。主要工业化国家均立足本国产业基础与传统优势积极发展 智能制造，寻找制造业与新一代互联网技术的结合点。

一、机器人技术趋向人机协作和精细操控

从发展趋势看，当前机器人技术发展呈现四大趋势： （1）人机协 作，即从与人保持距离作业向与人自然交互并协同作业方面发展； （2）自主化，即从预编程、示教再现控制、直接控制、遥操作等被操纵作业模式向自主学习、自主作业方向发展； （3）信息化，即从被单向控 制向自己存储、自己应用数据方向发展，像计算机、手机一样成为信息终端； （4）网络化，即从独立个体向相互联网、协同合作方向发展。 与此相应，2017 年1 月成立的美国先进机器人制造创新机构（ARM¹） 提出6 大技术焦点领域：协作机器人、机器人控制（学习和控制）、 灵巧操作、自主导航和机动性、感知能力、测试和验证。近期，美国 科学家在直立行走机器人、DNA机器人等方面取得明显进展。

1、研发出最新型直立行走的机器人。美国波士顿动力公司的工 程师将阿特拉斯机器人进行新算法的提升，并且教会机器人如何站立时找到一个坚实的立足点，可以穿过复杂的地形。此款人形机器人已经能够保持身体的平衡，穿越岩石堆，可以分配自身的重量，保持平 衡。阿特拉斯机器人拥有28 个液压操纵关节，并且具有立体视觉， 是目前最先进的机器人之一。

2、可以进入血液的DNA 机器人问世。美国加州理工学院科研 团队在《科学》杂志上刊文，展示一款由DNA 组成，可在纳米级环 境中完成工作的机器人。该团队开发出可在人类肉眼无法触及的微观世界中完成识别、机械运输、智能化分拣等一系列复杂工作的分子机 器人，这种由单链DNA 构成的“机器人”可以自主地在纳米级环境 中“行走”，拾取某些分子并将其在指定位置放下，可以执行复杂的 纳米力学任务。

二、3D打印技术应用日趋广泛

航空航天、汽车制造以及核电制造等工业领域对大尺寸复杂精密 构件的制造提出更高的要求，开发大幅面金属3D 打印设备将成为重 要发展方向，3D 打印将朝着速度更快、精度更高、性能更优、质量 更可靠的方向发展。

1、俄罗斯成功研制出首台太空3D 打印机。俄罗斯托木斯克理 工大学、俄罗斯科学院西伯利亚分院强度物理与材料学研究所、斯科尔科沃科技大学和俄罗斯“能源”火箭航天集团公司，成功研制出首 台太空3D 打印机，能在失重条件下为宇航员打印零部件。俄罗斯萨 马拉国立航空航天大学学生发明3D 巧克力打印机，未来还将在此基 础上研发其他食品原料打印机，为宇航员提供更加均衡的膳食。

2、美国研发出直接金属书写工艺。大多数金属3D 打印工艺， 如选择性激光熔化（SLM），使用的是细金属粉末，这种工艺存在一 定的局限性，如3D 打印部件存在间隙或缺陷。美国应用实验室劳伦 斯利弗莫尔国家实验室与美国伍斯特理工学院合作开发出一种全新 的金属3D 打印工艺——直接金属书写（Direct Metal Writing）。新方 法使用一种半固体金属（或称为剪切稀化材料），这种特殊的金属材料在静止时表现得像固体，但被施加力时则可以像液体一样流动。直 接金属书写的主要优点在于能省去3D打印部件当前必须接受的耗时 的验证和分析过程，有更高的材料效率，有助于克服基于粉末的金属3D 打印技术的局限性。

市场研究机构Gartner 预测，2020 年3D 打印技术发展将呈现四 大趋势： （1）10%的工业生产将集成自动化3D打印技术。自动化范 畴包括3D 打印技术与机器人、机械臂的结合，自动化控制与检测等。 代表性技术：西门子SiSpis 蜘蛛机器人。 （2）30%的骨科植入物将在 医院内部或就近3D打印。由于不同人体之间存在差异，个性化定制植入物与标准产品相比，可以带来更精准的治疗效果。3D 打印在个 性化小批量产品生产领域具有优势，日益受到植入物制造领域重视。 （3）应用3D打印技术将使新产品推向市场的时间缩短25%。3D 打 印为企业新产品研发带来快速及低成本的产品原型制造、小批量试制解决方案。受益企业不仅包括对交货期极为苛刻的航空制造企业，还包括依靠创新技术和新产品推出速度立足于市场的创业型企业，如Nano-Racing 无人机团队和Alta Motor 电动摩托车团队。 （4）75%的 制造企业将使用3D打印工具。3D 打印将作为传统制造技术的补充， 逐渐成为大多数制造企业所倚重的技术。主要体现在两个方面：一是直接制造传统技术难以实现的复杂产品或小批量产品；二是制造传统 制造技术所需要的模具、刀具和夹具等。

三、传感器技术向无线和智能方向发展

随着物联网、增强现实以及M2M（机器与机器互联）平台的兴 起，目前传感器技术研究有三个重点方向： （1）无线传感器（UGS）， 物联网系统需要根据应用领域和具体需求布置大量传感器，传感器与物联网系统必须采用无线信道传输数据和通信； （2）智能传感器，即MEMS（微型电子机械系统），这种小体积、低成本、集成化和智能 化传感系统是未来传感器的重要发展方向，也是物联网的核心；（3） 无线自组网，采用不需要基站的“对等结构”移动通信模式，网络中所有联网设备可以在移动过程中动态组网。传感器正朝着尺寸更小、更智能且成本更低的方向发展，上述三大研究方向将逐渐融合，推动 无线传感器网络（WSN）的诞生。

1、用于环境监测的传感器技术取得新进展。（1）物联网智能阀 门传感器可用于远程监控湖面水位。美国佛罗里达州Lakeland 市公 共工程小组利用Sensus 公司开发的物联网智能阀门传感器控制湖面高度平衡，建构预防洪灾及淹水的能力。（2）3D 打印无线传感器可 用于检测大面积环境。沙特阿拉伯KAUST 大学提出3D 打印有制造 低成本、完全集成无线传感器的潜力，可用于极端环境条件，如森林火灾和工业泄漏。 （3）新型化学纳米传感器可用于快速高效精准监测 环境。瑞典查尔默斯理工大学开发出新型化学纳米传感器，这种技术得益于对原子层厚度纳米材料的研究，而这种材料对周围环境极其敏感。 （4）IBM 研发出实时监测甲烷泄漏的新型传感器。传感器包含激 光和玻璃缆线通道，激光吸收甲烷特定波长的光线，芯片将其转换成 电信号，再通过绘制光吸收图谱来测算甲烷泄漏量。

2、传感器技术在设备检测中发挥重要作用。（1）轨道磨损自动 检测装置。由俄罗斯科学家研发，激光传感器围绕轨道一次性选取300 个点，测量其到轨道表面的距离，从而得到高精度数据，测量过 程仅需5 秒。 （2）能实时测量轮胎磨损的传感器。由杜克大学与Fetch Automotive Design Group 合作设计，能以99％的精确度跟踪胎面花 纹深度的毫米级变化，成本低于1 美分。 （3）用于建设城墙监测预警 平台的传感器。该平台在江苏南京城墙沿线重要节点地段及病害点位布设传感器，全天候采集城墙本体裂缝、膨胀、沉降等数据变动以及 周边气象、地质、水文等环境变化。

3、红外数字传感器可自动调节供电。美国东北大学研发了可自 动调节供电的红外数字传感器。目前，最先进的传感器使用的都是有源电子元件来实现信号的检测，即使在没有信号传输的状态下，它们也会不断消耗电力，极大地限制了传感器的使用寿命，间接阻碍了物联网的发展。而这款红外数字化传感器将打破这一瓶颈，它通过检测红外线来实现对自身的开启，虽然人眼看不见红外线，但是生活中如人类、汽车和火等都能发出红外线信号，当红外线信号出现时，该传感器就自动开启，而当信号消失时，传感器将自动关闭，进入休眠状态。一直以来，在恶劣环境下布局无线传感器网络，电池寿命问题都是一大核心问题，显然，此款红外数字传感器为此类问题提供了新的 解决办法和思路。

 ¹ ARM 由国防部牵头，由新成立的国家非营利机构——美国机器人公司（American Robotics）管理，创始 成员223 家，建设资金投入包括联邦资金8000 万美元，非联邦资金1.73 亿美元。ARM 致力于在制造业关 键的增长领域，包括航空航天、汽车、电子和纺织品等快速采用机器人技术，10 年期目标包括将工人生产 力提高30％，在美国创造51 万个新制造业岗位，确保30％的中小企业采用机器人技术，并提供主要工业 机器人制造商将出现的生态系统。（来源：上海科技发展研究中心）