智能制造與智能微系統(tǒng)

新一代智能制造最本質的特征是其信息系統(tǒng)增加了認知和學習的功能，傳感器是信息技術的支柱，是實現(xiàn)信息和現(xiàn)實之間交流的方式，體現(xiàn)了信息技術發(fā)展的重要方向。微系統(tǒng)可以應用在五大領域：物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療與健康監(jiān)護、智能手機、汽車行業(yè)、機器人行業(yè)，這些技術在我國產(chǎn)業(yè)化估計還需3-5年時間。

制造業(yè)在我國發(fā)展非常迅速，我國是全球制造業(yè)行業(yè)最完整的國家。國家對制造業(yè)也非常重視，制造業(yè)是立國之本，興國之器，強國之基。我國的制造業(yè)有幾大特點，一是有巨大市場;二是門類齊全，有獨特的體系;三是數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的進程和國際同步啟動，未來下一步的工業(yè)革命核心技術，也和國際的新興技術處于同一個起跑線。

智能制造

中國的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，取得了歷史性的成果，但是對以下幾點我們要有清醒的認識：第一，自主創(chuàng)新能力不強、基礎薄弱，比如說芯片80%以上依賴進口，2018年用匯3213億美元，超過石油。第二，產(chǎn)業(yè)整體處于價值鏈中低端。第三，經(jīng)營效率不高，勞動生產(chǎn)率不高。當然，還有產(chǎn)業(yè)結構的問題、質量的問題等。

以集成電路為例，我國還沒有一家集成電路企業(yè)進入世界前30強，沒有大的產(chǎn)業(yè)來支撐需求。另外，我國集成電路各品種占比非常小，都是5%以下，應用種類高端部分的芯片占有率很低，只是在通信領域里占比稍高，計算機、通用電子領域占比都是0-5%。

實施制造強國戰(zhàn)略，有兩點非常重要，一是工業(yè)強基，要有堅實的基礎。二是中國的制造業(yè)要從并跑走到領跑的階段。我們的高端領域是什么呢？就是智能制造，要用更高的技術追求來改造現(xiàn)有企業(yè)的發(fā)展，智能制造是新一輪工業(yè)革命的核心驅動力，也是真正意義上的工業(yè)4.0，第四次工業(yè)革命。

傳統(tǒng)制造業(yè)其實是解決人力不足的問題，到了數(shù)字化、數(shù)控時代，機器可以按照人的設定來進行工作，有了信息系統(tǒng)。到了智能化時代，機器按照人設定的目標，自己完成整個加工行為。這里很重要的一環(huán)是要有足夠的信息，通過認知和學習，產(chǎn)生思維，同時通過傳感器對產(chǎn)生的動作進行檢測，是否達到了最后目標的要求。在未來的智能制造里，傳感器和信息的獲取、信息的處理，是同等重要的。

傳感器是信息技術的支柱，也是實現(xiàn)信息和現(xiàn)實之間交流的方式，體現(xiàn)了信息技術發(fā)展的重要方向。集成電路的發(fā)展有兩個重要分支，一是傳統(tǒng)的垂直方向，就是線寬，而且投資巨大，基本上是上千億的動作。另外一個方向是現(xiàn)在正在做的，未來的超越摩爾的方向，不追求速度最快，也不追求存儲容量最大，追求系統(tǒng)功能最強。好像是全能冠軍，把傳感器、執(zhí)行器、處理器加軟件一起做，以解決問題作為導向來做集成電路，這是國際目前主要的發(fā)展方向。

智能微系統(tǒng)

微系統(tǒng)的五大要素是微電子、光電子、MEMS、算法、架構。智能微系統(tǒng)能夠做什么事呢？2018年，美國一位教授做了世界上最小的無人機叫“殺人蜂”，技術總結有三大特點，第一是小，在那么小一個地方可以實現(xiàn)飛行、攻擊作用;第二是智能化，人去抓它的時候可以自動躲避;第三是可以自動瞄準和攻擊，帶10克的炸藥，通過人臉識別，可以把目標炸死。這里有兩項技術是比較特殊的，第一項是微機電系統(tǒng)，也就是微系統(tǒng)技術，把機件結構做到芯片里去。

MEMS和微系統(tǒng)最大的特征是結構，這個結構不是由零件來組裝的，它的可靠性非常強。從1996年開始，美國構筑了這個技術的十大應用，現(xiàn)在十大應用的科研任務在我國都已經(jīng)完成了，還在產(chǎn)業(yè)化過程中。

國際上對微系統(tǒng)進行了細分，從各種各樣的行業(yè)應用，到它們的系統(tǒng)集成，不一而足。全球都把微系統(tǒng)作為集成電路發(fā)展的重要方向，美國也提出了“雙百”計劃：體積縮小100倍，功能提高100倍。全世界最小的導彈可以放在槍上發(fā)射，殺傷半徑10米以內(nèi)。更可怕的是，以后子彈也可以制導，不用瞄準，子彈自動到目標那里去了。這些都是由于傳感器做小后的結果。

在工業(yè)應用中，航空發(fā)動機和燃氣輪機的溫度、工況測不出來，它的溫度800度以上，壓力超過300個標準大氣壓，所以測量都是把機器放在外面，通過外面來估計里面的情況。美國現(xiàn)在可以把傳感器做進機器，很好地控制發(fā)動機的工況。據(jù)MEMS的首席專家介紹，通過工況控制可以提高燃氣能機的效率5%到8%。

總結技術的五大應用，第一是物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)三大技術：信息傳感采集微系統(tǒng)技術、網(wǎng)絡構建技術、服務管理技術，以及物聯(lián)網(wǎng)的幾大應用，包括停車場的管理、工廠的管理，環(huán)境的監(jiān)測、醫(yī)療的進步，都是基于傳感器的，信息、圖像不能只靠輸入的信息，而是更多依賴傳感器。

第二大應用是醫(yī)療。醫(yī)療器械從臺式到便攜式，下一步就是穿戴式的和植入式的。便攜式的已經(jīng)用到了微系統(tǒng)，穿戴式的和植入式的一定要用到微系統(tǒng)，沒有微系統(tǒng)不行，2018年有45億美元的市場。最典型的是糖尿病治療儀，裝在身上就可以自動平衡胰島素，還有對眼睛的測量，把眼壓傳感器裝在博士倫眼鏡上，戴著眼鏡一天的眼壓就記錄下來了。還可以在腦子里植入一個芯片，控制動作，這個領域已經(jīng)取得了很大的進步。

第三大應用是智能手機。之所以蘋果能打敗諾基亞和愛立信，是由于它的智能化，而智能化是基于傳感器的。蘋果3代用了8個傳感器，這8個MEMS器件占了手機利潤的30%左右。到了蘋果5代以后，一共有60多個傳感器，實際上大部分的利潤空間都被傳感器替代了。手機的傳感器越來越多，智能化水平越來越高，造就了這個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。最典型的是麥克風的市場，MEMS麥克風出來以后，95%的市場被其替代。

第四大應用是汽車。汽車里有200多個傳感器，其中80%可以用MEMS來做，特別是網(wǎng)聯(lián)汽車、智能汽車，又產(chǎn)生了一批新的傳感器，比如激光雷達，各種各樣防碰撞的、防疲勞的系統(tǒng)，如果不用MEMS做，那么傳感器的價格和車的價格比例會達到50%以上。激光雷達的價格約為7萬-8萬元，用MEMS傳感器價格僅1000元左右，MEMS支撐了汽車工業(yè)的產(chǎn)業(yè)化。

最后一大應用是機器人。機器人之所以能夠運轉，是因為它的傳感器非常小，傳統(tǒng)的傳感器不可用。這個行業(yè)進口偏多，2018年該行業(yè)有30億美元的市場。

這些就是微系統(tǒng)技術的五大驅動力。我們從1995年開始跟蹤上述技術，從技術角度看，我國和美國處于相當?shù)乃剑谖覈a(chǎn)業(yè)化估計差3年到5年的時間。

本文根據(jù)尤政院士在國家制造強國建設專家論壇（寧波）上的主題演講速記稿整理而成。