“互聯(lián)網(wǎng)+”：新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的強力引擎

王本力 張鎮(zhèn) 李茜

新材料是工業(yè)領域?qū)崿F(xiàn)技術、產(chǎn)品、裝備創(chuàng)新的基礎和先導，對于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展起著至關重要的作用。新材料產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的基礎產(chǎn)業(yè)。為搶占戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)制高點，美歐日等發(fā)達國家更是從國家戰(zhàn)略高度加快新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展步伐。如何在較短的時間實現(xiàn)對先進國家的超常規(guī)趕超，成為我國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的嚴重挑戰(zhàn)。當前，中國正在轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展模式，“互聯(lián)網(wǎng)+”和“中國制造2025”為中國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來挑戰(zhàn)與機遇。“互聯(lián)網(wǎng)+”的本質(zhì)是變革和創(chuàng)新，“互聯(lián)網(wǎng)+”與新材料產(chǎn)業(yè)的深度融合，將有助于突破新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制約瓶頸，帶來新材料研發(fā)模式、生產(chǎn)模式、創(chuàng)新模式的深刻變化，推動新材料產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展，為實現(xiàn)“中國制造2025”提供堅實基礎和有力支撐。

一、新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制約瓶頸

1.傳統(tǒng)研發(fā)模式導致新材料升級換代慢

材料研發(fā)的本質(zhì)是探求材料成分-工藝-組織結(jié)構-性能-服役行為的內(nèi)在關聯(lián)，一般要經(jīng)過基礎研究、應用基礎研究、中試研究、系統(tǒng)集成與驗證、工業(yè)化制造等多個階段才可能成功實現(xiàn)新材料的市場應用。一直以來，新材料研制多采用“炒菜式”試錯法，在現(xiàn)有材料基礎理論和經(jīng)驗的基礎上，通過大量消耗性實驗來反復調(diào)整成分和溫度、時間、加熱/冷卻速率以及外場作用等各種工藝參數(shù)，實現(xiàn)材料組織結(jié)構和性能的調(diào)控優(yōu)化。這種研發(fā)模式常常消耗大量的資源、能源、時間和人力，研發(fā)成本市場難以接受，甚至有些極端條件的實驗更難實現(xiàn)。即使當前的一些計算工具，由于受到各種限制，難以在學術界大規(guī)模推廣、被工業(yè)界廣泛認可。此外，新材料從發(fā)現(xiàn)到最終應用缺乏全產(chǎn)業(yè)鏈集成，各個研究環(huán)節(jié)缺少深入合作和數(shù)據(jù)共享。在傳統(tǒng)研發(fā)模式下，新材料創(chuàng)新研發(fā)效率很低、產(chǎn)業(yè)化周期較長，新材料升級換代慢、嚴重滯后新工業(yè)產(chǎn)品的設計步伐。傳統(tǒng)的材料研發(fā)模式已不適應工業(yè)的快速發(fā)展需求，日益成為限制技術和工業(yè)發(fā)展的瓶頸。

2.傳統(tǒng)生產(chǎn)方式難以滿足新材料市場需求

傳統(tǒng)的材料生產(chǎn)是在工廠里通過鑄造、鍛壓、焊接等材料成形技術和車、銑、磨等機械加工方法，將成品制造出來。在這一過程中，受制于設備加工能力和材料多樣化，有些材料或零件雖然采用傳統(tǒng)方法能夠生產(chǎn)制造，但生產(chǎn)投入高、生產(chǎn)周期長、有時材料利用率甚至低于30%，生產(chǎn)過程中消耗了大量的能源資源，成本高昂，產(chǎn)品缺乏市場競爭力。有些個性化或形狀復雜產(chǎn)品，生產(chǎn)難度高，采用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式甚至不能制造出來。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式很難滿足任何時間、任意地點、任意領域的生產(chǎn)制造要求，不能適應新材料市場的需求。

3.新材料形勢嚴峻，關鍵材料自主創(chuàng)新差

新材料是新興工業(yè)的基礎，材料創(chuàng)新是各種技術革命的核心。在原始創(chuàng)新上投入大、周期長，我國新材料產(chǎn)業(yè)涉足不夠；在集成創(chuàng)新上，各種相關數(shù)據(jù)、資源、研究力量分散，自主知識產(chǎn)權缺失，難以實現(xiàn)集成應用；在引進消化吸收再創(chuàng)新上，長期受發(fā)達國家技術封鎖。自主創(chuàng)新不足給新材料產(chǎn)業(yè)帶來了一些問題，如關鍵材料自給率低、核心技術嚴重缺乏、核心專利受制于人。有統(tǒng)計顯示，我國所需的130種關鍵材料中有32%完全空白，54%國內(nèi)雖能供應，但質(zhì)量一致性較差，僅14%實現(xiàn)了完全自給。我國新材料領域形勢嚴峻，關鍵新材料的缺乏制約著我國信息、能源、環(huán)境、交通、醫(yī)藥、國防等工業(yè)領域能力的提升，成為國家安全和社會經(jīng)濟發(fā)展的嚴重威脅。

二、“互聯(lián)網(wǎng)+”加速新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

1.“互聯(lián)網(wǎng)+”推動新材料研發(fā)模式的變革

云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)和智能感知終端等現(xiàn)代信息通信技術的迅猛發(fā)展，使新材料研發(fā)及應用過程中信息資源的無縫銜接、快速處理和高效利用成為可能。“互聯(lián)網(wǎng)+”正在推動集成化信息平臺下的“材料基因工程”建設，對已有的材料研究設備和力量進行有效整合，對材料研究的模式進行全面改革，為新材料的創(chuàng)新提供集成化、網(wǎng)絡化、各種數(shù)據(jù)和資源共享的平臺，支持跨領域、跨組織和跨地域的新材料協(xié)同創(chuàng)新?；谠朴嬎愫鸵苿踊ヂ?lián)網(wǎng)，集成不同功能和性能的計算材料科學軟件，建設材料高通量計算模擬平臺；基于云計算和移動互聯(lián)網(wǎng)，集成通用和專用材料數(shù)據(jù)庫，建設材料高通量數(shù)據(jù)平臺；利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)和智能終端等現(xiàn)代信息技術，實現(xiàn)與現(xiàn)代化材料制備裝置和檢測設備的深度融合，實現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)的異地、高效、實時傳輸和集成，智能化的數(shù)據(jù)處理、存儲和利用，建設材料高通量實驗檢測信息平臺?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”引起材料研發(fā)模式質(zhì)的變革，用高通量并行迭代替代傳統(tǒng)試錯法中的多次順序迭代，由“經(jīng)驗指導實驗”向“理論預測、實驗驗證”的材料研究模式轉(zhuǎn)變，帶來研究效率的根本轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)材料研發(fā)的“多、快、好、省”和材料的定制。高通量組合材料研發(fā)模式已被廣泛應用于功能材料、結(jié)構材料以及催化劑材料的研發(fā)設計，已被科學界和工業(yè)界廣泛接受。

2.“互聯(lián)網(wǎng)+”帶來新材料生產(chǎn)方式的革新

材料的性能不僅與材料的組成和結(jié)構相關，還與其制造工藝相關。相同組成、不同用途的材料其制備工藝往往不同。為獲得滿足性能要求的新材料，先進的制造方法學成為材料科學研究的重點?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”為材料領域的技術改造、革新提供了嶄新的工具和手段。采用數(shù)字化技術對材料生產(chǎn)全過程中復雜化學物理現(xiàn)象和信息演變過程的定量計算、模擬與控制，實現(xiàn)了材料的數(shù)據(jù)制造；計算機數(shù)字仿真技術推動了材料虛擬設計的發(fā)展；增材制造技術實現(xiàn)復雜個性化材料的精準制造；網(wǎng)絡化技術使企業(yè)內(nèi)部、企業(yè)之間以及企業(yè)和用戶之間實現(xiàn)了跨地域、跨領域的數(shù)據(jù)共享、協(xié)同設計、協(xié)同制造，實現(xiàn)可視化、個性化智能定制?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”推動材料生產(chǎn)制造向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化方向發(fā)展。

3.“互聯(lián)網(wǎng)+”實現(xiàn)新材料創(chuàng)新方式突破

我國關鍵新材料自主創(chuàng)新能力不足，“互聯(lián)網(wǎng)+”的大背景下，新材料產(chǎn)業(yè)涌現(xiàn)出開放式集成創(chuàng)新、大眾創(chuàng)新、融合創(chuàng)新等新方式。高通量組合材料研發(fā)模式借鑒了集成電路芯片、基因芯片、組合化學和材料信息學的理念和思路，其基礎是跨領域集成，包括計算模擬、實驗、和理論基礎、物理、化學、材料、信息等跨學科集成，政府、學術界和工業(yè)界集成，材料發(fā)現(xiàn)到應用全產(chǎn)業(yè)鏈集成，各種數(shù)據(jù)和信息資源集成等，正體現(xiàn)開放式集成創(chuàng)新。利用集成的材料數(shù)據(jù)和信息庫，任何人可以在終端采用人工加機器學習的方式來開展新材料研究和應用，并把自己的數(shù)據(jù)信息共享，從而實現(xiàn)新材料研發(fā)的大眾創(chuàng)新。采用一定的利用模擬計算手段，開展納米技術、光電材料、生物材料和能源材料融為一體的材料研發(fā)融合式創(chuàng)新，也是當前新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢。

三、“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的新材料產(chǎn)業(yè)

1.大數(shù)據(jù)是創(chuàng)新新材料研發(fā)模式的關鍵手段

創(chuàng)造一種全新的突破性材料可能需要長達10～20年的研究和實驗。開展新材料的研制離不開海量數(shù)據(jù)處理，包括各種材料數(shù)據(jù)庫、工藝流程、大量的原始數(shù)據(jù)以及國內(nèi)外同行的數(shù)據(jù)等。借助大數(shù)據(jù)的運算能力，可以使關鍵新材料的發(fā)現(xiàn)、研發(fā)、生產(chǎn)到應用的進程至少加倍，成本降為原來的幾分之一。大數(shù)據(jù)貫穿新材料研發(fā)、設計、制造全過程，成為創(chuàng)新材料研發(fā)模式的關鍵手段。美國麻省理工學院的材料數(shù)據(jù)庫包含大約10萬種已知或理論上的材料信息，哈佛在網(wǎng)上公開了230萬種混合物數(shù)據(jù)，人們可以通過網(wǎng)絡入口讀取數(shù)據(jù)，任何人可以通過在終端上下載一個程序來進行運算并返還數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享、使用、整合。我國西北工業(yè)大學、華南理工大學、北京科技大學、東北大學、北京化工大學、中南大學、上海大學等7所高校以云計算模式構建了材料學科資源云，已經(jīng)初具規(guī)模，集成了11類48種材料計算軟件（包括16種開源材料計算軟件）和59個材料數(shù)據(jù)庫，為使用人員提供基于云桌面的交互界面，實現(xiàn)了使用人員桌面環(huán)境的定制。利用大數(shù)據(jù)價值的真實案例已然出現(xiàn)，人們用大數(shù)據(jù)定制更好的碳環(huán)結(jié)構化學反應全新催化劑、研制有機太陽能電池用新物質(zhì)、設計多功能添加劑等。

2.材料服務業(yè)是變革新材料生產(chǎn)方式的重要支撐

增材制造技術對推動新材料生產(chǎn)向服務型轉(zhuǎn)變具有不可估量的作用，是實現(xiàn)新材料生產(chǎn)個性化、精準化、協(xié)同化的重要基礎支撐。上海交通大學王成燾等開展個性化骨科植入物及內(nèi)植物從設計到生產(chǎn)的研究，構建了骨關節(jié)外科手術導航技術以及基于導航系統(tǒng)的機器人技術，建立了個性化假體專業(yè)數(shù)字制造平臺、基于網(wǎng)絡的個性化假體異地設計系統(tǒng)、個性化假體的網(wǎng)絡制造系統(tǒng)。以此為依托，通過產(chǎn)學研結(jié)合方式，上海晟燁信息科技有限公司（以下簡稱“上海晟燁”）開展了基于數(shù)字醫(yī)學影像與3D打印技術的醫(yī)學工程服務，已經(jīng)為全國100多家醫(yī)院提供臨床服務，累計完成7 000多例相關病例的研究與應用。上海晟燁與深圳光韻達光電科技股份有限公司（以下簡稱“深圳光韻達”）合作成立了上海光韻達三維科技有限公司，通過整合上海晟燁（軟件、人才以及醫(yī)院）以及深圳光韻達（硬件、技術以及產(chǎn)業(yè)化能力）的優(yōu)勢資源，通過“云服務平臺+軟件+3D打印”三位一體的服務模式，推動個性化定制生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。華南理工大學開展了骨缺損的個性化精確修復和個性化正畸托槽研制，與廣州瑞通生物科技有限公司合作實現(xiàn)了個性化正畸產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化，成為世界第2家、國內(nèi)首家個性化舌側(cè)正畸托槽制造商。西安交通大學（以下簡稱“西安交大”）開發(fā)了快速成形制造系統(tǒng)集成，每年可為我超過2 000家高新技術企業(yè)提供科技能力服務。

3.自主創(chuàng)新推動新材料快速發(fā)展我國開展高通量組合材料研究開始起步，在基礎數(shù)據(jù)方面的積累更是遠遠不足，一批具有高通量組合材料研究和產(chǎn)業(yè)化經(jīng)歷的高端人才先后通過“千人計劃”等途徑回國發(fā)展，推動了我國新材料的快速發(fā)展。我國先后建立了多個協(xié)同創(chuàng)新中心，如西安交大多學科材料研究中心、上海大學材料基因組工程研究院、寧波國際材料基因工程研究院等。寧波材料基因工程項目團隊開發(fā)的國內(nèi)首臺48靶材離子束濺射真空鍍膜設備已經(jīng)下線，目前正在開發(fā)兩臺用于測試的高通量材料表征設備，預計未來5年內(nèi)，團隊一系列高通量儀器設備銷售收入將突破億元大關。中國建筑材料科學研究總院項曉東研究員基于同步輻射大科學裝置發(fā)展原位實時高通量材料成分/結(jié)構表征技術、基于飛秒激光的高通量測試技術等。上海大學材料基因組工程研究院與中科院上海硅酸鹽研究所聯(lián)合研制成功了世界首款納米氧化釩基塑料貼膜，用于智能節(jié)能玻璃，并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。高通量組合材料實驗平臺已廣泛應用于功能材料、結(jié)構材料和催化劑材料的研制。

四、進一步推動“互聯(lián)網(wǎng)+”在新材料中的應用

“互聯(lián)網(wǎng)+新材料”，即采用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、智能感知終端等信息通信技術，改造和提升新材料的全產(chǎn)業(yè)鏈，與“中國制造2025”、“工業(yè)4.0”的內(nèi)涵一致，帶來新材料產(chǎn)業(yè)研發(fā)模式、生產(chǎn)模式、管理模式、營銷模式的變革和創(chuàng)新。為進一步推動“互聯(lián)網(wǎng)+”與新材料產(chǎn)業(yè)的深度融合，建議開展以下工作：

1.加強頂層設計，實現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+”與新材料的深度融合

開展頂層規(guī)劃設計，研究“互聯(lián)網(wǎng)+”、“中國制造2025”與新材料產(chǎn)業(yè)的深入結(jié)合，提升互聯(lián)網(wǎng)技術與新材料技術的耦合度；成立“互聯(lián)網(wǎng)+新材料融合協(xié)調(diào)組”，實現(xiàn)國家層面的協(xié)調(diào)；制定針對“互聯(lián)網(wǎng)+新材料”的重大研究計劃，組建全國性的“材料創(chuàng)新研究中心”，打造全國性的“材料創(chuàng)新基礎設施”；發(fā)揮政府引導作用和企業(yè)主導作用。

2.開展大數(shù)據(jù)研究，推動新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展

建立材料數(shù)據(jù)集成化標準和規(guī)范，解決數(shù)據(jù)割裂和數(shù)據(jù)質(zhì)量問題；建立數(shù)據(jù)共享有償使用體制和機制，破除相關利益壁壘；實施新材料大數(shù)據(jù)研究和發(fā)展計劃，提升從大數(shù)據(jù)中獲取信息的能力；深入研究材料大數(shù)據(jù)的發(fā)展與應用模式，開展個性化定制服務；建立數(shù)據(jù)安全保密機制，加強知識產(chǎn)權保護，推動新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

3.建立協(xié)同創(chuàng)新機制，鼓勵新材料創(chuàng)新

建立協(xié)同創(chuàng)新機制，推動“互聯(lián)網(wǎng)+”與新材料的融合與協(xié)同；營造有利于不同學科、不同領域、不同地域、產(chǎn)業(yè)鏈不同環(huán)節(jié)深入交流和合作的氛圍，實現(xiàn)多領域、跨學科、全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同創(chuàng)新；加強新材料產(chǎn)業(yè)和其他產(chǎn)業(yè)溝通，以制造業(yè)的實際需求為牽引，開展“官、產(chǎn)、學、研、用”交融的材料創(chuàng)新，從根本上改變科研、生產(chǎn)和應用長期脫節(jié)的局面。