關(guān)鍵使能技術(shù)

黃健

2014年10月29日，美聯(lián)儲宣布退出量化寬松貨幣政策，標(biāo)志著世界經(jīng)濟(jì)將進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代——全球金融危機(jī)后的大轉(zhuǎn)變時(shí)期。各國競爭愈加激烈，除了在高技術(shù)領(lǐng)域的競爭之外，推行再工業(yè)化戰(zhàn)略的歐美等國為了國內(nèi)的就業(yè)將戰(zhàn)火引入了一般制造業(yè)領(lǐng)域。而再工業(yè)化戰(zhàn)略的核心重點(diǎn)，并非僅僅是搶占某些尖端、高技術(shù)制高點(diǎn)，而是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的全面整體發(fā)展，而通用、支撐、使能技術(shù)的重要性就顯得前所未有。

為了支持通用、支撐、使能技術(shù)的研發(fā)，各國都事先提出了各自的戰(zhàn)略、政策與計(jì)劃，如美國提出了《國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)》、歐盟提出了《關(guān)鍵使能技術(shù)計(jì)劃》、德國提出了《2020高技術(shù)戰(zhàn)略》、英國發(fā)布的《2012-2015使能技術(shù)戰(zhàn)略》、澳大利亞出臺《使能技術(shù)國家戰(zhàn)略》等等。作為國家的智囊與顧問，各類型的智庫針對未來技術(shù)發(fā)布了相關(guān)的預(yù)測性報(bào)告。本文希望通過對這些報(bào)告的解讀，總結(jié)出對于中國制造至關(guān)重要的關(guān)鍵使能技術(shù)，希望對政府在宏觀決策上作出建議支撐。

一、使能技術(shù)的定義

一般而言，使能技術(shù)（Enabling Technology）是指一項(xiàng)或一系列、應(yīng)用面廣、具有多學(xué)科特性的關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)能廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，且能協(xié)助現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)做出重大的進(jìn)步，在政治和經(jīng)濟(jì)上產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。從先進(jìn)制造技術(shù)層面上來說，使能技術(shù)能夠通過基礎(chǔ)研究解決各類制造業(yè)面臨的共性問題，是連接基礎(chǔ)知識和應(yīng)用研究的橋梁（圖1）。

世界各國在其國家戰(zhàn)略中都對使能技術(shù)進(jìn)行了定義，如蘇格蘭在其《面向光明的未來：蘇格蘭使能技術(shù)戰(zhàn)略》中認(rèn)為，使能技術(shù)是已經(jīng)存在或即將出現(xiàn)的能給一個(gè)部門或多個(gè)部門帶來競爭優(yōu)勢的技術(shù)，使能技術(shù)的研發(fā)和利用能增強(qiáng)企業(yè)的競爭力、創(chuàng)造高價(jià)值就業(yè)崗位、促使國家在未來經(jīng)濟(jì)競爭中占據(jù)優(yōu)勢地位。歐盟在《為我們未來做準(zhǔn)備：制定歐洲關(guān)鍵使能技術(shù)發(fā)展的共同戰(zhàn)略》中認(rèn)為使能技術(shù)是一種知識密集型的技術(shù)，具有高研發(fā)投入、快速的創(chuàng)新周期、高資本風(fēng)險(xiǎn)和高技能就業(yè)等特征；使能技術(shù)能使經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的生產(chǎn)、產(chǎn)品和服務(wù)緊密相連；使能技術(shù)還具有跨學(xué)科性，能推動(dòng)不同領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用。澳大利亞在其《使能技術(shù)國家戰(zhàn)略》中將使能技術(shù)定義為能產(chǎn)生新產(chǎn)品、新服務(wù)或者使生產(chǎn)過程更高效的新技術(shù)或已有技術(shù)的新組合，并認(rèn)為使能技術(shù)有潛力增加生產(chǎn)、產(chǎn)品、服務(wù)的突破性創(chuàng)新，能更有效地解決全球和國家面臨的挑戰(zhàn)。

二、各國使能技術(shù)戰(zhàn)略

為了在全球經(jīng)濟(jì)重新洗牌后占據(jù)有利態(tài)勢，世界各國（地區(qū)）都制定了針對使能技術(shù)的戰(zhàn)略計(jì)劃（表1）。

1.美國

美國國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)2012年2月發(fā)布的《先進(jìn)制造國家戰(zhàn)略計(jì)劃》認(rèn)為，生物制造和生物信息技術(shù)；先進(jìn)材料設(shè)計(jì)、合成和加工；先進(jìn)傳感、測量和過程控制（包括信息物理系統(tǒng)）；納米制造；柔性電子制造；可視化、信息和數(shù)字化制造技術(shù)；可持續(xù)制造；增材制造（3D打?。?；工業(yè)機(jī)器人；先進(jìn)焊接與成形技術(shù)；先進(jìn)制造和檢測設(shè)備等11項(xiàng)技術(shù)是幫助美國贏得競爭力優(yōu)勢的關(guān)鍵技術(shù)。

2.歐盟

2009年9月歐盟委員會(huì)發(fā)布了《歐洲關(guān)鍵使能技術(shù)發(fā)展的共同戰(zhàn)略》，該戰(zhàn)略將微（納）米電子學(xué)、先進(jìn)材料和先進(jìn)制造系統(tǒng)、納米技術(shù)、光子學(xué)、工業(yè)生物技術(shù)等科技領(lǐng)域設(shè)為關(guān)鍵使能技術(shù)（KETs）。歐盟委員會(huì)認(rèn)為，KETs作為支撐、使能技術(shù)，將極大地促進(jìn)通信技術(shù)、鋼鐵、醫(yī)療器材、汽車、及航天等領(lǐng)域的發(fā)展，不僅有助于面對社會(huì)與環(huán)境的重大挑戰(zhàn)，還能夠促進(jìn)歐盟地區(qū)未來的經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，提升未來10年歐盟的國際競爭力。

3.英國

2012年11月，英國技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)（TSB）發(fā)布了《使能技術(shù)戰(zhàn)略2012-2015》。將先進(jìn)材料、生物科學(xué)、光電子器件及傳感器、信息通信技術(shù)等4大技術(shù)列為使能技術(shù)（圖2）。TSB認(rèn)為這4大技術(shù)支撐了原材料安全和可持續(xù)發(fā)展、能源材料、高價(jià)值產(chǎn)品、大數(shù)據(jù)探索、云計(jì)算、生物信息學(xué)、現(xiàn)代軟件工程、傳感系統(tǒng)、光電子器件等對英國至關(guān)重要的技術(shù)。

4.德國

2010年7月德國聯(lián)邦內(nèi)閣決定延續(xù)“高技術(shù)戰(zhàn)略”的成功路線，制定了新的“高技術(shù)戰(zhàn)略2020”。在“高技術(shù)戰(zhàn)略2020”中，聯(lián)邦政府確定了氣候與能源、健康與營養(yǎng)、物流、安全性和通信等5大最重要的國家需求領(lǐng)域，并圍繞這5大國家需求領(lǐng)域確定了示范性項(xiàng)目和重要“關(guān)鍵技術(shù)”，包括生物與納米技術(shù)、微納米電子學(xué)、光學(xué)技術(shù)、微系統(tǒng)技術(shù)、材料與生產(chǎn)技術(shù)、航天技術(shù)、信息和通信技術(shù)以及服務(wù)研究等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。

5.澳大利亞

2010年2月，澳大利亞創(chuàng)新、工業(yè)和研究部（DIISR）出臺了《使能技術(shù)國家戰(zhàn)略》。該戰(zhàn)略將納米技術(shù)和生物技術(shù)列為國家的重要使能技術(shù)，一部分信息和通信技術(shù)也被涉及了，例如生物和納米技術(shù)等技術(shù)在信息和通信技術(shù)中的新應(yīng)用等。

6.蘇格蘭

2009年蘇格蘭發(fā)布了《蘇格蘭使能技術(shù)戰(zhàn)略》，將通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、信息計(jì)算技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)列為國家重點(diǎn)使能技術(shù)，希望在未來5～10年通過推動(dòng)這些技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展以增強(qiáng)國家創(chuàng)新力。

7.聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織

聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織（UNIDO）2013年發(fā)布的《全球制造業(yè)新趨勢》報(bào)告認(rèn)為，光子學(xué)、生物技術(shù)、微米技術(shù)、納米技術(shù)、添加制造（3D打?。?、制造系統(tǒng)中的信息通信技術(shù)、先進(jìn)材料、環(huán)境和能源技術(shù)是未來制造業(yè)的關(guān)鍵使能、平臺技術(shù)。

三、關(guān)鍵使能制造技術(shù)的遴選

由于各國（地區(qū)）需求不同，定位不同，技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平也不一致，因此在對使能技術(shù)界定的重點(diǎn)及重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)清單存在差異。在將表1所列出的使能技術(shù)的非制造元素剝離，并且進(jìn)行歸納總結(jié)之后，發(fā)現(xiàn)與代表先進(jìn)制造發(fā)展趨勢的半導(dǎo)體制造技術(shù)、材料計(jì)算模擬、3D打印技術(shù)和生物制造技術(shù)等存在重大重疊，吻合程度非常高。

以美國《先進(jìn)制造國家戰(zhàn)略計(jì)劃》選定的11項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)為例，這11項(xiàng)技術(shù)與本文所遴選的關(guān)鍵使能制造技術(shù)具有相當(dāng)高的吻合程度，如3D打印和生物制造技術(shù)重合了，并且其余9項(xiàng)跨學(xué)科技術(shù)也與半導(dǎo)體制造技術(shù)、生物制造技術(shù)、3D打印技術(shù)和材料計(jì)算模擬等存在重大重疊或交叉（圖3）。

同樣的，對歐盟提出的關(guān)鍵使能技術(shù)（KETs）的研究顯示，KETs與本文提出的半導(dǎo)體制造技術(shù)、生物制造技術(shù)、3D打印技術(shù)和材料計(jì)算模擬等關(guān)鍵使能制造技術(shù)具有相當(dāng)高的重合程度（圖4）。

四、先進(jìn)使能技術(shù)是推動(dòng)制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵

對各國推動(dòng)使能技術(shù)的政策研究發(fā)現(xiàn)，各國無一例外地將先進(jìn)制造技術(shù)作為關(guān)鍵使能技術(shù)予以大力支持。而代表了先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展趨勢的半導(dǎo)體制造技術(shù)、材料計(jì)算模擬、3D打印技術(shù)和生物制造技術(shù)等，則是推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵中的關(guān)鍵。這種關(guān)鍵使能性主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：①關(guān)鍵使能制造技術(shù)直接支持了裝備、產(chǎn)品的生產(chǎn)與制造，直接推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展；②關(guān)鍵使能制造技術(shù)通過對其他具有關(guān)鍵意義（如可持續(xù)性和變革性等）技術(shù)的支持，間接地推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

半導(dǎo)體制造技術(shù)、材料計(jì)算模擬、3D打印技術(shù)和生物制造技術(shù)等關(guān)鍵使能制造技術(shù)，是小到個(gè)人生活日用品，大到航空航天等“國之重器”的關(guān)鍵支撐技術(shù)。

日用品方面，以手機(jī)為例，3D打印可滿足手機(jī)外殼定制化需求，材料計(jì)算模擬推動(dòng)了新型信息材料的開發(fā)；半導(dǎo)體制造技術(shù)的進(jìn)步使手機(jī)更輕更??；生物制造為手機(jī)外殼及包裝提供了綠色可降解材料（圖5）。

大型高端裝備，以飛機(jī)為例，生物制造技術(shù)生產(chǎn)了生物燃油為飛機(jī)提供能源；3D打印技術(shù)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造了關(guān)鍵零部件；工程師材料計(jì)算模擬為飛機(jī)開發(fā)了新型合金材料、研究材料在極端環(huán)境下的使役行為（如高溫、電擊等）、簡化了設(shè)計(jì)制造流程等等；半導(dǎo)體制造技術(shù)則為飛機(jī)提供導(dǎo)航通信、各類傳感器（如溫度、壓力等）、功率電器等等（圖6）。

又如衛(wèi)星，半導(dǎo)體制造技術(shù)為衛(wèi)星提供了太陽能能源；材料計(jì)算模擬技術(shù)研究了衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料在極端環(huán)境下的使役行為；3D打印技術(shù)可以現(xiàn)場制造了各種形狀的零部件，避免衛(wèi)星發(fā)射時(shí)攜帶過多物資等等（圖7）。類似的，關(guān)鍵使能制造技術(shù)也為軌道交通裝備提供了支撐。

五、結(jié)語

如前所述，在將各國所列出的使能技術(shù)的非制造元素剝離，并且進(jìn)行歸納總結(jié)之后，發(fā)現(xiàn)代表了先進(jìn)制造發(fā)展趨勢的半導(dǎo)體制造、3D打印、材料計(jì)算模擬和生物制造是各國競相追逐的熱點(diǎn)。

1.信息技術(shù)融入先進(jìn)制造技術(shù)的深度和廣度與日俱增

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，信息技術(shù)更廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)的研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)裝備、產(chǎn)品流通、企業(yè)管理到營銷渠道等環(huán)節(jié)，信息技術(shù)和制造技術(shù)融合進(jìn)程將加速。研發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，產(chǎn)品生命周期管理、計(jì)算機(jī)輔助工程分析、計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工藝計(jì)劃、計(jì)算機(jī)輔助測試、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等，正成為研發(fā)和設(shè)計(jì)的關(guān)鍵手段和工具。生產(chǎn)制造領(lǐng)域，圍繞大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)制造發(fā)展的新趨勢正在形成，并呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)化、智能化的趨勢。

對信息技術(shù)研究發(fā)展的歷史研究表明，晶體管、硅單晶材料及集成電路的問世，直接導(dǎo)致了電子工業(yè)革命的產(chǎn)生；半導(dǎo)體激光器、超晶格量子阱材料和高速器件的問世，使人類進(jìn)入超高速光互聯(lián)時(shí)代；未來石墨烯等二維材料的制備及加工、有機(jī)半導(dǎo)體合成等技術(shù)的突破，必將使得信息技術(shù)日新月異，因此作為信息技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，半導(dǎo)體制造技術(shù)的重要性將更加凸顯。

2.先進(jìn)制造技術(shù)的可變性

先進(jìn)制造技術(shù)正快速朝著可變性邁進(jìn)。這里的“可變性”是一個(gè)總體術(shù)語，它包括一些通常描述改變生產(chǎn)能力的現(xiàn)有范式的術(shù)語。這些術(shù)語包括“靈活性”，即指整個(gè)生產(chǎn)和物流區(qū)通過改變制造工藝、材料流和物流功能以合理少的時(shí)間和精力切換至新的-盡管類似的-系列或組分的戰(zhàn)術(shù)能力；“可配置性”，是指是一個(gè)制造或組裝系統(tǒng)通過添加或刪除功能組件以最小的努力或延遲切換至具體的系列或工件或組件的操作能力、“可變性”，是指整個(gè)工廠結(jié)構(gòu)切換至另一個(gè)產(chǎn)品系列的能力；“敏捷性”，是整個(gè)公司開發(fā)所需的產(chǎn)品和服務(wù)，以及建立必要產(chǎn)能的戰(zhàn)略能力。

3D打印技術(shù)是近來興起的一項(xiàng)具有巨大潛力的新技術(shù)，只需提供需要生產(chǎn)的產(chǎn)品的數(shù)字模型即可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造，對企業(yè)來說生產(chǎn)不同的產(chǎn)品無須對生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)整，可以市場需求快速響應(yīng)，并且在滿足個(gè)性化需求（如百分百符合不同患者需求的人造骨骼等）方面具有無可比擬的優(yōu)勢。

3.新材料與先進(jìn)制造技術(shù)聯(lián)系緊密，互為依托相互支持

對于制造技術(shù)而言，設(shè)計(jì)是靈魂、材料是基礎(chǔ)、工藝是關(guān)鍵、測試是保證。在設(shè)計(jì)、材料、工藝和測試這幾個(gè)環(huán)節(jié)中，如果材料不過關(guān)，制造技術(shù)也就無法真正實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。新材料與先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，是“源”與“匯”的關(guān)系，缺少一頭都無法形成有機(jī)的循環(huán)，從而導(dǎo)致發(fā)展陷入停滯。只有發(fā)展新材料技術(shù)，才能使先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展成為有源之水；只有發(fā)展先進(jìn)的制造技術(shù)，才使新材料技術(shù)發(fā)展匯通天下。

一般而言，新材料的應(yīng)用時(shí)間跨度非常長，從最初的研究開發(fā)到最后的市場化及推廣一般要?dú)v經(jīng)10～20年，在這么長的時(shí)間段內(nèi)投資風(fēng)險(xiǎn)很大。常規(guī)的材料設(shè)計(jì)與測試通常是通過陳冗的反復(fù)測試來實(shí)現(xiàn)的，可實(shí)際上大部分實(shí)驗(yàn)完全可以利用計(jì)算機(jī)仿真模擬來完成。通過仿真模擬不但可以大幅降低研發(fā)時(shí)間、成本和風(fēng)險(xiǎn)，還能有助于深入了解材料的細(xì)節(jié)，對突破性的思想和理論進(jìn)行快速驗(yàn)證。

4.生物科學(xué)的發(fā)展衍生出先進(jìn)制造技術(shù)新分支——生物制造

生物制造技術(shù)是近年來制造技術(shù)發(fā)展的新方向。生物制造技術(shù)在制造技術(shù)中引入了生物科學(xué)技術(shù)，打通了生命科學(xué)與傳統(tǒng)的制造科學(xué)之間的聯(lián)系，為制造科學(xué)開辟了一個(gè)全新的發(fā)展空間。

與傳統(tǒng)的制造產(chǎn)品不同，目前生物制造的產(chǎn)品形成了簡單的生理系統(tǒng)，具備某些生命功能，為細(xì)胞或組織的生長提供生理環(huán)境，或直接包含活細(xì)胞或組織，從形狀至結(jié)構(gòu)以及材料與功能，均可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的制造。