智库追踪 | 美国国家科技委员会：先进制造——联邦政府优先技术领域一览

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美国的先进制造业支持着经济的长期繁荣、安全和增长。为了解放未来先进制造行业，保障美国在这些行业的领先地位，政府、企业和学术界需合力攻坚关键技术。本报告提出了一系列先进制造业的新兴技术领域，作为联邦政府优先发展的技术，它们或者是当下联邦政府优先发展的技术，或者是很有希望成为联邦投资和公私合作的重点。这包括：先进材料制造、生物工程与先进生物制造、再生医学的生物制造、生物产品制造、药物的连续生产。另外，介绍了一些可能成为未来项目主题的技术领域。最后，报告还强调了教育和劳动力培训对于先进技术产业的重要性。

先进制造有助于强化美国经济和国家安全，创造高收入岗位，带来技术创新，有效驱动经济的长期繁荣和增长。如今，美国制造商正在为下一代制造计划注入全新活力，重建因海外建厂曾一度废除的供应链。

本文关注的先进制造业的一些技术领域，它们或者是当下联邦政府优先发展的技术，或者是很有希望成为联邦投资和公私合作的重点。阐述每项技术领域时，还介绍了其产业拉动、交叉影响、对国家安全和竞争力的重要性，以及用到美国哪些强项及能力。此外，还概括了主要技术挑战和机遇，并突出了一些联邦已有和计划的项目作为参考。

除了这些新兴的技术领域，联邦政府还宣布了一些先进制造技术领域，或是已经投入大量资金，或是可能成为未来项目的主题。

实现先进技术成功商用，需要源源不断且高素质的劳力，将最新知识和技能带到岗位上去。本文提及的一些联邦项目，鼓励有关制造业的教育和培训，从而保证今天的课程能满足明天劳动力的需求。

(一) 新兴的优先制造技术领域

先进制造需要多种技术来支撑。本报告重点关注了五个领域的先进制造业技术，他们受到联邦政府各方关注和积极参与，有望成为未来投资和业界、学术机构与政府合作的重点。

1.先进材料制造

1）描述

先进材料使得前所未有的功能产品成为可能。为充分从先进材料获利，企业需要全新工具和方法，量身打造设计并加速大规模生产。先进材料生产横跨多个行业，如汽车、飞机、生物医药和电子，这些都是国家经济和安全的重要产业。认识到先进材料的重要性之后，美国政府于2011年开启了“材料基因组计划”（MGI），旨在为美国发现、开发、生产和应用先进材料，达到增速翻倍并降低成本的目的。

一些材料的先进属性体现在纳米级。关键之处在于用可靠且节能的方法，规模化生产纳米级材料、结构、设备和系统的能力，又称为纳米生产。2001年，联邦政府启动国家纳米技术计划（NNI）。

2）技术挑战

必须加快材料设计和开发过程，为国家关键需求提供及时的解决方案，如清洁能源、下一代电子器件等。材料特性、建模、仿真及数据分析的发展正在进行中，这些新能力需要持续的支持，以发掘先进材料制造的潜力。

3）联邦投资

联邦政府须持续投资基础研究以推动创新，同时还须通过NNI和MGI等项目，降低内在风险，把技术成果真正转变为工业实践中的优势。相关机构（包括国防部（DoD）、国家科学基金会（NSF）、国家标准与技术研究所（NIST）、国家航空和航天局（NASA）等）都打算继续投入资金支持多领域的先进材料制造。

4）能源材料网络

能源材料网络（EMN）旨在通过整合材料开发阶段，结合制造过程、规模化考虑和使用性能，加速材料进入市场的进程。

2.生物工程与先进生物制造

1）描述

生物工程（包括生物合成）的进步，可广泛应用在化学、材料和细胞行业的制造中。美国生物经济的规模估值约为每年3500亿美元。目前，美国生物工程研究处于领先地位。然而，还须加大投资，将新工具的开发转化为支持生物制造的有力技术和支持国土安全的新材料。

2）技术挑战

生物系统是高度复杂、可自我复制、自适应且反馈的机器，借助各种初始材料，通过进化来演进。这些特质给用于生物制造的生物系统工程的稳定和强健带来巨大挑战。总之，需要更好地认识环境如何影响有机体，以及更好地用于规模生产的设计及工程工具，来应对这个挑战。

3）联邦投资

相关政府机构，包括DoD、能源部（DOE）、联邦调查局（FBI）、食品与农业研究院(NIFA)等，在过去几年已经投资了生物工程。为了实现该领域的商业潜能，潜在的跨部门合作领域包括：营养安全、更高效可拓展的生物经济方法设计、全新高性能材料设计、制造能力发展。

3.再生医学的生物制造

1）描述

再生医学及干细胞的临床应用，有修复或替换功能不正常、退化或缺少的细胞、组织、器官的作用。2012-2014年间，联邦政府为再生医学共投资了28.9亿美元，主要用于发展治疗技术。

2）技术挑战

发展再生医学产品和治疗的最大挑战是，该领域仍处于从学术研究到产业和商业化转变的阶段。这种转变需要严格监督（从材料到过程再到最终产品）从而保证产品是安全、有效的，且有确定的效能和可预测的保质期。

制造细胞或组织产品比制造生物医药更具挑战性。这是因为制造生物工程、细胞、组织和器官的标准尚不明确，且其中的活性细胞会不断生长、进化。

3）联邦投资

DoD，食品和药物管理局（FDA）、美国国立卫生研究院、NIST、美国能源部国家核安全管理局、美国国家科学基金会和退伍军人事务部（VA）等，持续为再生医学领域的项目提供资金。未来对再生医学制造技术的支持，仍将具有很强的多学科性和合作性。

4.先进生物产品制造

1）描述

生物产品（高价值化学品、生物试剂、材料、燃料及来源于可再生生物资源的其他生物基中间体）起到减少石油使用的作用，将成为新兴生物经济的支柱。

2）技术挑战

为提供可持续、可靠且节能的原料供应，必须克服现有的一些障碍（如成本、土地使用等）。

转换技术指从原料到产出各种最终生物炼制燃料或产品的全部过程。高效、节约且可靠的转换技术是先进生物产品制造规模化的关键需求。

3）联邦投资

通过支持整个供应链的研究和研发活动，联邦政府不断致力于拓展可持续性产品和有机燃料的使用。此外，还需要关注生物产品制造能力的公私合作投资，例如通过风险控制和共通过程步骤的规模化，支持生物产品的商用。

5.药物的连续生产

1）描述

制药和生物技术行业的先驱研究表明，连续生产可为这些行业带来多重好处，如可以提升制药业的敏捷性、灵活性和鲁棒性，帮助减少由于药物短缺带来的公众健康威胁。

2）技术挑战

连续生产设计的发展，需要一个基于系统的方法以及多种已有技术的整合。传统小型分子药物的生产通常需要很多新化学合成的步骤，需要多轮隔离、计划，导致灵活的连续过程设计复杂程度增加。一些大分子药物的生产，使用生物基地来生产最终产品。

目前，技术处于实验室试验阶段，无法实现大规模商用。政府可以重点投资一些非传统生物技术、急于扩大市场规模的小企业，支持他们发展。

(二) 已有的优先制造技术领域

1.未来投资的可能领域

NIST发布通知，建立并运行一个或多个国家制造创新网络（NNMI）机构。

DoD发布意见，考虑采纳企业、学术机构和非盈利组织的意见，为至少两个制造创新机构选择和考量关键技术领域，如先进机器工具和控制系统、辅助和软件机器人、再生医学的生物工程等。

DOE先进制造办公室最近召开了一系列研讨会，识别未来投资的潜在主题，如化学和热学过程强化、可持续制造等。

2.制造创新机构的关注点　

● 增材制造；

● 先进复合材料；

● 数字制造和设计；

● 柔性混合电子；

● 集成光子；

● 轻金属；

● 智能制造；

● 革命性的纤维和纺织品；

● 宽禁带半导体电子。

(三) 优先的制造教育和劳动力培训

1.描述

制造需要高度熟练的加工人员、技术人员、设计师、计划者、研究员、工程师和管理者，他们的专业技能涵盖从理论到实践各个环节。教育在制造行业过程中扮演重要角色，确保为下一代劳动力提供合适的培训。

2.联邦投资

联邦相关机构已经改革了教育和培训项目，用以解决关键性挑战，从社区大学专业技术培训到世界领先高校的研究计划教育，投资范围非常广泛。

NNMI的制造创新机构，将有经验的制造专家与在校学生联系起来，提供了真实的实践培训，为他们将来就业做好准备。

劳动和教育部门部署了10亿美元的项目，在整个国家范围内强化社区大学的有关制造的课程，培训美国劳动力。

先进制造的岗位和创新加速挑战项目（Jobs and Innovation Accelerator Challenge），通过联结小型创新企业与大型公司，联结研究项目和使新点子商业化的创业公司，从而提供商业机遇，促进就业。

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