2018年德國弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)科技創(chuàng)新、發(fā)展成果及國際科普活動(dòng)動(dòng)態(tài)研究

詹同敘，張曉靜，高子涵，薛 力

(北京市科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所 北京100044)

1 德國弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)概況

1.1 協(xié)會(huì)簡介

德國弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)(英文：Fraunhofer Society；德文：Fraunhofer-Gesellschaft；簡寫 FhG)成立于1949年3月，是德國也是歐洲最大的應(yīng)用科學(xué)研究機(jī)構(gòu)。弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)總部位于德國慕尼黑，在全球范圍內(nèi)擁有80 多家機(jī)構(gòu)，其中在德國有76 家研究院所，擁有超過2.5 萬名員工，2017年預(yù)算約為23 億歐元。該協(xié)會(huì)主要由科學(xué)家和工程師組成，基本資金通過聯(lián)邦政府、各州和德國公眾提供，其中30%來自政府無償撥款，另外70%來自公共競爭項(xiàng)目，既包含政府及公共部門的競爭性科研項(xiàng)目，也包含來自于企業(yè)的委托項(xiàng)目。該協(xié)會(huì)宗旨是：支持科技知識(shí)的技術(shù)實(shí)用轉(zhuǎn)化；致力于科學(xué)知識(shí)與技術(shù)環(huán)節(jié)的可實(shí)際運(yùn)用開發(fā)；為碩士生和博士生提供實(shí)用研究領(lǐng)域的實(shí)踐和進(jìn)修；為歐盟技術(shù)項(xiàng)目和國際性科研項(xiàng)目的全球性科研布局作出貢獻(xiàn)。

該協(xié)會(huì)的目標(biāo)是大力開展科技實(shí)用性研究，主要有7 大研究領(lǐng)域：

①健康與環(huán)境。包括醫(yī)療技術(shù)；植入物、假體、生物可吸收材料；IT 技術(shù)應(yīng)用及輔助系統(tǒng)；藥品。

②開發(fā)。包括再生醫(yī)學(xué)；營養(yǎng)及食品技術(shù)；生物技術(shù)與環(huán)境技術(shù)。

③安全與防護(hù)。包括有害物質(zhì)的嗅探器檢測(cè)；災(zāi)害救治與危機(jī)管理；保護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施；信息安全；文化財(cái)產(chǎn)的恢復(fù)與保護(hù)。

④機(jī)動(dòng)性交通運(yùn)輸。包括電動(dòng)汽車技術(shù)；鐵路軌道技術(shù)；航空研究與運(yùn)輸；自動(dòng)化移動(dòng)性研究；航運(yùn)與海事技術(shù)。

⑤生產(chǎn)性公共服務(wù)供給側(cè)。包括工業(yè)4.0；產(chǎn)品開發(fā)；制造技術(shù)與生產(chǎn)工藝；汽車設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)工程技術(shù)；智能機(jī)器人；材料。

⑥交流與知識(shí)共享。包括視聽信號(hào)處理；媒體內(nèi)容的制作、傳輸和分配；大數(shù)據(jù)；圖像處理；云計(jì)算；電子商務(wù)；電子政務(wù)；嵌入式系統(tǒng)/環(huán)境智能；服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)；信息安全技術(shù)；寬帶通信；電子學(xué)習(xí)、娛樂與游戲；模擬現(xiàn)實(shí)感；軟件工程。

⑦能源與資源。包括可再生能源；有效利用能源；儲(chǔ)能與管理；原材料的有效地利用；建筑與生活。

1.2 國際地位及科研領(lǐng)域

弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)是《歐盟2020 戰(zhàn)略》和《歐盟“再工業(yè)化”戰(zhàn)略》中的德國科技發(fā)展的重要力量，它積極參與歐盟的科技發(fā)展項(xiàng)目，接受來自德國各州政府和聯(lián)邦政府的任務(wù)委托，重點(diǎn)參與對(duì)社會(huì)發(fā)展具有重大意義的環(huán)保、能源、健康等領(lǐng)域的一系列戰(zhàn)略性的科學(xué)研究。2017 湯森路透發(fā)布的《全球最具創(chuàng)新力政府研究機(jī)構(gòu)25 強(qiáng)》榜單中，美國衛(wèi)生與公共服務(wù)部、法國原子能委員會(huì)、德國弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)名列三甲。

1.3 國際化發(fā)展及國際合作情況

弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)在全球范圍內(nèi)，推動(dòng)科研能力建設(shè)，鼓勵(lì)科學(xué)家與科研機(jī)構(gòu)建立合作關(guān)系，積極參與科技創(chuàng)新項(xiàng)目研究工作。除了在歐洲，弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)也參與在美國、亞洲、非洲和中東的國際活動(dòng)。其在美國的活動(dòng)最為活躍，分別設(shè)立了9 個(gè)研究中心(見表1)。在亞洲設(shè)立了3 個(gè)研究中心，在新加坡設(shè)有子公司，在中國、印度、印度尼西亞、日本和韓國分別設(shè)有代表處。它們形成了亞洲市場和弗勞恩霍夫研究所之間的橋梁，其活動(dòng)主要集中在市場營銷和業(yè)務(wù)拓展上。這些辦事處提供所有弗勞恩霍夫研究所的相關(guān)咨詢、研究和開發(fā)服務(wù)，具體包括問題分析與市場評(píng)估，產(chǎn)品和制造工藝的優(yōu)化，支持引進(jìn)新的創(chuàng)新技術(shù)和組織形式。

表1 弗勞恩霍夫在美國設(shè)立9個(gè)研究中心Tab.1 9 Fraunhofer Society Research Centers in US

2 2018年弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展動(dòng)態(tài)

2.1 電池與儲(chǔ)能技術(shù)

當(dāng)今世界，儲(chǔ)能技術(shù)正處于不斷變革創(chuàng)新的進(jìn)程之中。便攜式收音機(jī)、手電筒、智能手機(jī)、電動(dòng)汽車、太陽能或風(fēng)能等都要依靠電池儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行能源存儲(chǔ)。在太陽能與風(fēng)能發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)和互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，電池的能量存儲(chǔ)是可再生和清潔能源技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。目前，德國能源行業(yè)和汽車行業(yè)作為兩個(gè)主要的經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，正在密切關(guān)注電池行業(yè)的研究與發(fā)展，而電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的迅速崛起也給予了電池研究更高的熱度。

2.1.1 弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)在電池領(lǐng)域的研究貢獻(xiàn)

弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)一直致力于電池的研究與發(fā)展，從創(chuàng)新材料的開發(fā)和電池單元的優(yōu)化設(shè)計(jì)，到高效生產(chǎn)和可持續(xù)的能源儲(chǔ)存，該協(xié)會(huì)都占據(jù)著專業(yè)知識(shí)上的優(yōu)勢(shì)。近幾年，弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)與多家研究所組建了“電池聯(lián)盟”項(xiàng)目。該項(xiàng)目是一個(gè)由德國經(jīng)濟(jì)與能源部資助的研究型聯(lián)盟，其目標(biāo)是依靠現(xiàn)有的材料和技術(shù)為電池制造行業(yè)提供創(chuàng)新且實(shí)用的解決方案，從而推動(dòng)電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前共有19 家研究所參與這一聯(lián)盟，并已取得初步進(jìn)展。專家預(yù)計(jì)，在未來5年內(nèi)將有可能逐步改進(jìn)現(xiàn)有材料，利用新型材料設(shè)計(jì)和制造電池。除此之外，該協(xié)會(huì)的研究人員還致力于電池的能量密度、額定容量、充電時(shí)間、電池重量、電池尺寸以及實(shí)用性等方面的研究，目前主要針對(duì)電動(dòng)汽車電池的額定容量因素、便攜性問題以及電池在生態(tài)環(huán)境方面的污染和回收利用等難點(diǎn)問題進(jìn)行深入研究。

2.1.2 新型材料與電池的研究開發(fā)

弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)的材料和光束技術(shù)研究所(IWS)、化學(xué)技術(shù)研究所(ICT)和硅技術(shù)研究所(ISIT)主要負(fù)責(zé)電池材料的研發(fā)。研究人員現(xiàn)階段正在嘗試研發(fā)一種新型材料，利用現(xiàn)有材料進(jìn)行新形式的組合，并嘗試鈉硫或鋰硫電池的開發(fā)。在材料創(chuàng)新方面，金屬空氣電池是未來電池的發(fā)展趨勢(shì)。金屬空氣電池僅需要一種金屬介質(zhì)進(jìn)行發(fā)電，可通過電極從空氣中獲取，這一方法大幅增加了電池的存儲(chǔ)密度。在所有的金屬空氣電池中，鋰空氣電池最具發(fā)展?jié)摿?，是電池領(lǐng)域未來的主力軍。金屬空氣電池還可在理論上改善電池充電問題，因?yàn)榭諝鉄o處不在。

2.1.3 電池的生產(chǎn)制造工藝研究

弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)的硅技術(shù)研究所(ISIT)、陶瓷技術(shù)和系統(tǒng)研究所(IKTS)、材料和光束技術(shù)研究所(IWS)以及生產(chǎn)技術(shù)和自動(dòng)化研究所(IPA)一直致力于電池的制造過程方面的研究工作。研究重點(diǎn)是設(shè)計(jì)出更高效、更節(jié)約資源、更符合成本效益原則的電池，研究所主要針對(duì)可大幅度降低電池生產(chǎn)成本的電池電極干式涂覆工藝過程開展合作研究。陶瓷技術(shù)和系統(tǒng)研究所(IKTS)負(fù)責(zé)利用其在陶瓷領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)來優(yōu)化活性材料和隔膜組件的加工過程，并跟進(jìn)包括電池電極在內(nèi)的材料的進(jìn)一步處理。硅技術(shù)研究所(ISIT)主要負(fù)責(zé)對(duì)柔性制造工藝進(jìn)行研究，使這一工藝能運(yùn)用于制造私人定制的鋰電池。

2.1.4 新型電池的安全測(cè)試

弗勞恩霍夫化學(xué)技術(shù)研究所(ICT)、弗勞恩霍夫材料力學(xué)研究所、恩斯特馬赫研究所(EMI)和弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所(ISE)負(fù)責(zé)研究的是新電池的全面安全測(cè)試，因?yàn)殡姵卮嬖谳^大的安全隱患，高密度且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電池可能會(huì)引發(fā)危險(xiǎn)火災(zāi)。在安全性能測(cè)試中，電池會(huì)被不斷地碰撞、壓縮、拉扯、觸碰尖銳物體或暴露在極端溫度下。研究人員能夠通過這些測(cè)試分析電池?fù)p壞的后果，借此進(jìn)一步完善電池的結(jié)構(gòu)。此外，在個(gè)別情況下某些電池制造材料可能會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，因此也要對(duì)電池制造材料進(jìn)行安全測(cè)試。

2.1.5 固定設(shè)備的電池技術(shù)

電池不僅僅為移動(dòng)設(shè)備供給能量，在固定設(shè)備的使用中也將使用電池進(jìn)行供電。弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)化學(xué)技術(shù)研究所(IKTS)的研究人員正在開發(fā)結(jié)構(gòu)特殊的氧化還原液流電池，可將能量儲(chǔ)存在外部的液體罐中，電源轉(zhuǎn)換器和電子元件相互分離，這意味人們可以隨時(shí)控制電池的剩余電量，通過更換外部液體罐來補(bǔ)充電量。盡管重量和尺寸等因素對(duì)于移動(dòng)電話或汽車電池來說非常重要，但是這些因素并不會(huì)對(duì)固定設(shè)備造成太大影響，因此利用外部儲(chǔ)能設(shè)施被視為固定設(shè)備儲(chǔ)電的絕佳解決方案。

2.2 認(rèn)知系統(tǒng)與智能機(jī)器人技術(shù)

智能機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)被用于越來越多的行業(yè)，幫助人們更好的工作和生活。國際數(shù)據(jù)公司(IDC)預(yù)計(jì)，到2020年，全球在機(jī)器人認(rèn)知解決方案方面的支出將超過400 億美元。弗勞恩霍夫研究中心的目標(biāo)是將該中心的科研活動(dòng)集中在與認(rèn)知機(jī)器人相關(guān)的研究領(lǐng)域，并推動(dòng)這一領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展。

2.2.1 服務(wù)型機(jī)器人

服務(wù)型機(jī)器人可以分為專業(yè)領(lǐng)域服務(wù)型機(jī)器人和個(gè)人/家庭服務(wù)型機(jī)器人。服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用范圍很廣，主要用于維護(hù)保養(yǎng)、修理、運(yùn)輸、清洗、保安、救援、監(jiān)護(hù)等工作。

以專業(yè)領(lǐng)域服務(wù)機(jī)器人為例，服務(wù)型機(jī)器人Paul在一家電子零售商店中作為購物助手招攬顧客，幫助客戶選擇合適的產(chǎn)品并引導(dǎo)他們輕松找到擺放商品的貨架。除了與客人進(jìn)行常規(guī)對(duì)話外，Paul還會(huì)向他們收集一些反饋意見，為自己的表現(xiàn)打分。Paul是機(jī)器人認(rèn)知系統(tǒng)Care-O-Bot4?的產(chǎn)物，由弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)制造技術(shù)和自動(dòng)化研究所開發(fā)，主要用于家庭、酒店、療養(yǎng)院或醫(yī)院服務(wù)。在服務(wù)過程中，機(jī)器人每一次與人類溝通對(duì)話的數(shù)據(jù)資料都會(huì)作為數(shù)據(jù)樣本被記錄，并自然運(yùn)用到下一次的對(duì)話中，這個(gè)過程還可以提升機(jī)器人辨別、解決新問題的能力。

機(jī)器人認(rèn)知系統(tǒng)主要作用是幫助機(jī)器人了解周圍環(huán)境、規(guī)劃行動(dòng)路線、識(shí)別進(jìn)程中的障礙物和與人進(jìn)行交流。這種認(rèn)知系統(tǒng)使得機(jī)器人可以規(guī)劃和優(yōu)化流程、進(jìn)行行為預(yù)測(cè)、檢測(cè)異常情況、分析圖像和語音信號(hào)，同時(shí)也是未來人工智能研究的基礎(chǔ)。

2.2.2 新一代Care-O-bot?

Care-O-bot?是一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人認(rèn)知系統(tǒng)，目前已經(jīng)開發(fā)到第四代。新版本更加靈活，與人類的互動(dòng)交流也更靈敏。另外，該機(jī)器人采用了低成本的設(shè)計(jì)原則，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)很大一部分采用低成本阻尼片，大幅降低了制造成本。第四代Care-O-bot?的靈活性和表現(xiàn)力都有顯著提高，原因是機(jī)器人頭部和臀部使用了球窩關(guān)節(jié)這一專利技術(shù)，從而擴(kuò)大了機(jī)器人的活動(dòng)范圍，并且能使其頭部和軀干360°旋轉(zhuǎn)。

第四代基于其模塊化系統(tǒng)的新概念，具有更多的可操作性。機(jī)器人可以配備一個(gè)、兩個(gè)或者更多手臂甚至可以不安裝手臂；軀干和頭部的球窩關(guān)節(jié)是可選的，是否安裝關(guān)節(jié)取決于所需靈活性的多少。除了對(duì)機(jī)器人外部構(gòu)造的改進(jìn)外，用戶體驗(yàn)感也是研究的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。調(diào)查表明，社交禮儀對(duì)交互式服務(wù)機(jī)器人來說也至關(guān)重要。Care-O-bot?能夠根據(jù)情況通過頭部集成顯示器分析客人的多種情緒，也在機(jī)器人系統(tǒng)中添加了更多的禮貌用語，這些對(duì)于服務(wù)型機(jī)器人來說都是巨大的進(jìn)步。

3 國際科普實(shí)踐活動(dòng)

2018年2月1 日，德國弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)工業(yè)工程研究所(Fraunhofer IAO)在斯圖加特舉辦了以“未來的工作世界”為主題的研討會(huì)，推出“科學(xué)年”實(shí)踐活動(dòng)，針對(duì)智能新技術(shù)引領(lǐng)人類進(jìn)入一個(gè)全新層次的生活和工作新模式等熱題進(jìn)行了深入探討。活動(dòng)的主要目的是打造一個(gè)集思廣益并促進(jìn)各方合作的新平臺(tái)，旨在分享創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)室和研發(fā)實(shí)驗(yàn)室的研究成果，通過交流開拓研發(fā)工作，拓展研究視角。

除此之外，該研究所于2018年10月9 日在柏林舉辦弗勞恩霍夫論壇，主要討論人機(jī)互動(dòng)、工業(yè)4.0和資格認(rèn)證等方面的問題。作為“智能技術(shù)體驗(yàn)”的一部分，參觀者不僅可以看到與未來工作相關(guān)的展品，還可以親自參與到體驗(yàn)課程中。該次活動(dòng)準(zhǔn)備的展品主要圍繞“生產(chǎn)力”和“健康”兩大主題，特別針對(duì)人員、技術(shù)、組織三角關(guān)系中，人們應(yīng)該如何應(yīng)對(duì)未來的挑戰(zhàn)等問題做了詳細(xì)解答。除了展覽之外，該論壇還會(huì)舉辦關(guān)于政治和科學(xué)的對(duì)話活動(dòng)，以便在數(shù)字化和全球化的背景下確定“人工智能工業(yè)4.0”的戰(zhàn)略領(lǐng)域。

該研究所“應(yīng)對(duì)全球化未來工作世界”將主要集中5 項(xiàng)研究重點(diǎn)：領(lǐng)導(dǎo)力的激發(fā)，靈活的工作和組織形式；“工作4.0”的發(fā)展；面向未來工作環(huán)境的交互技術(shù)研究；“工業(yè)4.0”大環(huán)境下未來的生產(chǎn)工作和人機(jī)協(xié)作的發(fā)展；人機(jī)交互，從用戶為中心的交互設(shè)計(jì)到腦機(jī)接口技術(shù)。

4 結(jié) 語

弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)是公助、公益、非營利的科研機(jī)構(gòu)，為企業(yè)，特別是中、小企業(yè)開發(fā)新技術(shù)、新產(chǎn)品、新工藝，協(xié)助企業(yè)解決自身創(chuàng)新發(fā)展中的組織、管理問題。圍繞全球科技熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，其研究成果一直影響著全球科技的未來發(fā)展。該協(xié)會(huì)注重政府、企業(yè)和非政府組織之間的合作，還鼓勵(lì)全球范圍內(nèi)科學(xué)家和科研機(jī)構(gòu)建立良好的合作伙伴關(guān)系，鞏固科技發(fā)展和經(jīng)濟(jì)市場的效益和合理性發(fā)展，促進(jìn)科研技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，創(chuàng)建穩(wěn)定全球經(jīng)濟(jì)政策的機(jī)制框架。我們應(yīng)借鑒該協(xié)會(huì)制定的一種融資模式——“夫瑯禾費(fèi)模式”，使協(xié)會(huì)與自身的商業(yè)成就緊密相連，將科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)用技術(shù)，使我們的學(xué)/協(xié)會(huì)更好地為政府機(jī)構(gòu)、工業(yè)界、企業(yè)和公共部門服務(wù)。