美國制造業的“阿波羅計劃”
——美國制造創新研究所網絡（下）

·數字化制造和設計創新研究所（DMDll）

數字化制造和設計創新研究所成立于2014年，總部位于芝加哥。數字化制造涉及基于計算機的集成系統的使用，包括模擬、三維可視化、分析和協作工具，以實現對產品設計和功能的仿真以及原型制造。設計創新是指有能力應用這些技術、工具和產品來重新設計端到端的整個制造過程。

數字化制造和設計創新研究所有201名成員，包括來自各個領域的大公司、眾多小公司和處于第一梯隊的11所大學。美國國防部陸軍制造技術項目提供了7000萬美元的資金，企業和州政府則提供了2480萬美元的配套資金。其使命是利用數字化制造加強供應商之間深層次的聯系以降低產品設計成本，改善產品生命周期內端對端的連接以降低生產成本和資本要求，提高迭代速度來縮短上市時間，在數字設計、數字工廠和數字供應鏈中開發和實施創新，并且開發新產品和改進傳統產品。

·未來輕金屬（輕質和先進金屬）創新研究所（LlFT）

未來輕金屬創新研究所成立于2014年，總部位于密歇根州底特律，沿著I-75走廊延伸，在密歇根州、俄亥俄州、印第安納州、田納西州和肯塔基州均設有辦公室。輕質和先進金屬可以大幅改善材料性能，提高能源效率，從而改進國防、能源、運輸和一般性工程產品中許多系統的性能。輕質金屬可用于風力渦輪機、醫療技術、壓力容器和替代能源。

未來輕金屬創新研究所有78名成員，包括金屬、航空航天公司和汽車供應商等各種大小型公司，以及17所大學。聯邦政府通過海軍研究辦公室和海軍制造技術項目提供了資金，成員們則提供了7000萬美元的配套資金。未來輕金屬創新研究所的使命是在高性能輕質金屬的生產方面進行創新，將獲得的新技術推廣應用到工業上。該研究所致力于熔化、熱機械加工、粉末加工、敏捷的低成本模具、涂層和連接等項目，在汽車、航空航天、造船、鐵路、建造和其他領域加以廣泛應用。此外，在眾多研究所中，該研究所一直是勞動力教育培訓方面的領跑者。

·美國電力研究所（Power America）——下一代電力電子研究所

美國電力研究所于2015年成立，旨在開發寬帶隙半導體技術。與硅基技術相比，該技術可以通過更小、更快、更高效的半導體材料大幅提高能源效率和電力電子的可靠性。這些材料能夠在更高的溫度下工作，可以阻斷更高的電壓，以更快的速度進行切換，功耗更低，同時更為可靠，在系統層級創造更高的收益。這些能力可以幫助大范圍的電力應用降低重量、減少體積和節約生命周期成本。它們可以應用到一系列領域，包括工業電機系統、消費電子和數據中心，也能用于可再生能源（太陽能和風能）的轉換。如果能將這些技術廣泛地加以應用，即使只是應用在工業生產等有限領域中，每年也可以大幅節約電能。隨著生產水平的提高，寬帶隙技術的成本預計會下降。

美國電力研究所得到了能源部能源效率和可再生能源先進制造業辦公室的7000萬美元撥款，此外還有7000萬美元的配套資金。它的組成成員包括17個產業界合作伙伴、5所大學和3個實驗室，總部位于北卡羅來納州的羅利市。

·先進復合材料制造創新研究所（lACMl）

先進復合材料制造創新研究所成立于2015年，旨在10年內開發和展示創新技術，以將纖維增強高分子復合材料的成本降低50%，能耗降低75%，而且實現95%的材料得到再利用。

輕質、高強度和高剛度的復合材料已被確定為可跨行業應用的關鍵技術，有潛力提高交通運輸行業的能源效率、實現高效發電，并加大可再生能源的生產。從汽車到飛機，再到風力葉片，輕質高強度復合材料應用范圍廣泛。

實現這一目標的挑戰包括成本高、生產速度慢（循環周期長）、復合材料的生產能耗高、缺乏可回收性，以及必須改進設計、模具和檢驗工具并符合法規要求。從構成材料生產到最終復合結構制造，要滿足生產成本和性能目標，就必須加速技術開發和制造研究。

先進復合材料制造創新研究所的總部位于田納西州的諾克斯維爾，得到了能源部能源效率和可再生能源先進制造業辦公室的7000萬美元撥款，此外還有1.8億美元的配套資金。該研究所的組成成員包括57家公司、15所大學和實驗室，以及其他14個實體。

·美國集成光子制造研究所（AlM Photonics）

美國集成光子制造研究所成立于2015年，在紐約州奧爾巴尼和羅切斯特設有總部。其目標是促進通信信號的超高速傳輸，實現新的高性能計算，以及創造可推動衛生領域進步的傳感器和成像技術。

集成光電要求在納米級的單個基板上集成多個光子和電子器件（例如激光器、探測器、波導儀器和被動結構、調制器、電子控制器和光學互連器）。集成這些組件的益處非常重大，包括簡化系統設計、改進系統性能、減少組件空間和功耗，以及改進性能和可靠性，這些都將以更低的成本實現重要的新功能。目前的光子制造行業里有一系列相互關聯但基本獨立的企業、組織和活動。該行業可以發展成為一個生態系統，但缺乏必要的組織和市場力量來有效地針對制造技術進行創新，以爭取集成光子器件經濟高效的設計、制造、測試、組裝和封裝。

美國集成光電制造研究所的重點是建立端到端的光子生態系統，包括國內鑄造廠、集成設計工具、生產自動化封裝、裝配和測試，以及勞動力發展。除聯邦政府的撥款外，州政府和產業界還提供了2億多美元的配套資金進行支持。

·柔性混合電子制造研究所（FHE-Mll）

柔性混合電子制造研究所成立于2015年，中心設在加利福尼亞州圣何塞市（硅谷內）。其目標是在可伸縮的柔性基板上制造可定制的設備，通過打印工藝將薄薄的CMOS（互補金屬氧化物半導體）與增加的新零部件組合在一起。不同于當前的硅處理器，這種技術可滿足電路、通信、傳感和電源等的柔性和混合要求。

柔性混合電子將保留傳統電子電路的全部操作，但采用新穎的柔性結構和形式，可以彎曲、拉伸或折疊。由此，功能強大的電子器件將用在可彎曲的、不規則的和可拉伸的物體上。它們可以給傳統的電子封裝帶來新的形式，創造新一類的商業和國防技術。例如醫療設備和傳感器、用于監測建筑或車輛性能的傳感器、通過互聯網進行交互操作的傳感器、用于監測物理位置的傳感器集群、可穿戴性能或信息設備、機器人技術、人機交互界面設備，以及輕型便攜式電子系統。這些技術還可以用于可穿戴技術、新型信息設備和傳感器、醫用假肢和傳感器，以及無人值守移動傳感器等。

國防部“制造技術”項目提供了7500萬美元的撥款，產業界、州政府和地方政府則共同投入了9600萬美元。該研究所的組成成員包括來自半導體公司及其供應商、航空航天、生命科學領域的22家公司、17所大學，以及州和地區組織。

·美國先進功能性纖維研究所（AFFOA）

美國先進功能性纖維研究所于2016年4月成立，由于剛剛開始啟動，成員尚未最終確定。其總部位于馬薩諸塞州劍橋市，并計劃建立一系列區域辦公室。

科學進步使纖維和紡織品具有非凡的性能，包括強度、阻燃性和導電性。它們可以成為電子、傳感器和通信設備的部件。這一系列新的纖維和紡織品由特種織物、工業織物、電子紡織品和其他形式的高級紡織品組成。它們可以提供通信、照明、冷卻、健康監測、電能存儲和許多此前與紡織品無法產生聯系的新功能。這些技術紡織品建立在合成、天然纖維混紡和多種材料纖維的基礎之上，在商業和國防領域中有著廣泛的應用，遠遠超出傳統的可穿戴織物。

美國先進功能性纖維研究所總部位于馬薩諸塞州的劍橋市，獲得了7500萬美元的美國國防部“制造技術”項目基金，以及約2.4億美元產業界和州政府的配套支持。它旨在通過公私合作的方式，服務于美國革命性纖維和紡織品制造端到端的創新生態系統，而且利用國內制造設施來開發制造工藝并加以規模化。美國先進功能性纖維研究所計劃利用強大的設計和仿真工具、試生產設施，以及與供應商的協作基礎架構來提供快速實現產品的機會、勞動力發展的機會。該研究所希望結合IT技術進步，將智能設備與纖維整合在一起，給纖維和紡織品帶來革命。

·智能制造創新研究所

2016年6月份，貝拉克·奧巴馬總統宣布了新智能制造創新研究所的勝出。該研究所隨機啟動，其總部設在洛杉磯。

智能制造的特點是信息通信技術與制造工藝的融合，從而對工廠和企業的能源、生產率和成本進行實時控制。AMP2.0報告中將其確定為需要聯邦政府投資的、優先級高的制造技術領域。智能制造將先進的傳感器、控制、信息技術流程和平臺，以及先進的能源和生產管理系統連接在一起，有望在大量工業企業內提高能源效率和制造能力。

智能制造創新研究所的預算為1.4億美元，其中聯邦政府已經通過能源部的先進制造業辦公室在5年內撥款7000萬美元，其余的為配套資金。智能制造創新研究所將重點關注如何通過可降低能耗的智能傳感器等設備將信息技術整合到制造過程中。例如，該研究所計劃與美國能源部高級復合材料制造創新研究所合作，在碳纖維生產中對先進傳感器進行測試。智能制造創新研究所與200余家公司、大學、國家實驗室和非營利組織合作。微軟公司、美國鋁業公司、康寧公司、埃克森美孚公司、谷歌、國家可再生能源實驗室和一系列小型公司都屬于合作伙伴之列。該研究所計劃在全美建立5個中心，由加利福尼亞州（加州大學洛杉磯分校）、得克薩斯州（得克薩斯農工大學）、北卡羅來納州（北卡羅來納州立大學）和紐約州（倫斯勒理工學院）和華盛頓州（美國太平洋西北國家實驗室）的大學和實驗室來負責管理，重點進行技術開發和轉讓，以及勞動力培訓。

·過程強化利用快速推進研究所（RAPlD）

2016年12月9日，能源效率和可再生能源辦公室宣布資助由美國化學工程師學會領導的一個聯盟組建的第四家研究所，這是聯邦政府力爭在2030年實現美國能源生產率翻番目標的關鍵一步。RAPID研究所將獲得高達7000萬美元的聯邦資金，130多個合作伙伴承諾將提供金額更多的配套資金。該研究所的重點是開發突破性的技術，通過改進石油天然氣、紙漿造紙和各種美國國內化工制造商的制造工藝，在5年內將美國國內能源生產率和能源效率提高20%。

傳統的化工制造業依賴于大規模、高能耗的工藝。新研究所將利用各種途徑對模塊化化工過程進行集約化，包括將混合、反應和分離等多個復雜的工藝組合成單個步驟，從而提高能源生產率和效率，降低運營成本并減少浪費。工藝突破可以大幅減少車間所需設備的占地面積，或通過更有效地使用原材料來消除浪費。例如，通過簡化和收縮工藝流程，可以使天然氣直接在井口進行精煉，節省乙醇裂化過程中高達一半的能量損失。僅在化工行業里，這些技術每年可以為美國節省超過90億美元的加工成本。

·國家生物制藥制造創新研究所（NllMBL）

2016年12月16日，商務部部長彭妮·普利茨克宣布將撥款7000萬美元成立新的國家生物制藥制造創新研究所。這是第一個根據行業建議確定重點領域并由商務部提供資金的研究所。商務部制定了“開放課題”方法，新研究所可以選擇現有研究所未曾覆蓋的任何領域。美國國家標準與技術研究院發起了一項“研究所行業建議競賽”，采取由下而上的方式來選擇研究所的課題，讓行業領導的聯盟提出地區制造商認為至關重要的技術領域，由此就有了國家生物制藥制造創新研究所。

國家生物制藥制造創新研究所將致力于改變生物制藥產品的生產過程。總的來說，它將力爭提高美國在生物制藥行業的領先地位，改善醫藥治療，并通過開發符合特定生物制藥技能需求的新培訓計劃來建設合格的員工隊伍。特拉華大學將與商務部的美國國家標準與技術研究院合作，在研究所的合作伙伴之間進行協調。除了聯邦政府的資金之外，研究所還將得到1.29億美元的配套資金。這是一筆初始私人投資，投資方包括全美150家公司、教育機構、研究中心、協調機構、非營利組織和美國制造業擴展伙伴關系項目。

·先進再生制造研究所（ARMl）

2016年12月21日，國防部宣布將撥款成立先進再生制造研究所。該研究所成為國防部領導的第七家研究所。新罕布什爾州計劃在5年內撥款8000萬美元。該研究所總部設在曼徹斯特米利亞德，由德卡研發公司、新罕布什爾大學和達特茅斯-希區柯克醫療衛生系統牽頭，負責利用生物技術開發和制造可移植到患者身上的組織和器官。德卡研發公司創始人迪恩·卡門負責該研究所的領導工作。它將開創用于修復和更換細胞與組織的下一代制造技術，如果取得成功，可以實現新皮膚或救命器官的制造，幫助許多滯留在移植等待名單上的美國人。此外，該研究所還將著重解決阻礙人工合成組織和器官生產的跨領域制造挑戰，例如提高可用性、可再生性、可訪問性，以及制造材料、技術和工藝的標準化。該研究所希望能進行跨學科的合作，包括3D生物打印、細胞科學與工藝設計、自動化藥物篩選方法，以及快速生產和運輸這些救命材料所需的供應鏈專業知識等。

·減少材料制造的能源和降低排放研究所（REMADE）

減少材料制造的能源和降低排放研究所由美國能源部創建，于2017年1月4日入選美“國家制造創新研究所網絡”名單，該所總部位于紐約州羅切斯特，并由可持續制造創新聯盟負責領導。該研究所將得到高達7000萬美元的聯邦政府撥款，以及100余家合作伙伴承諾的7000萬美元的配套資金，將重點降低金屬、纖維、聚合物和電子廢棄物等材料再使用、循環利用和再制造所需技術的成本，并且到2027年時實現整體能效提高50%。美國能源部表示，通過創新型新制造技術，可以節省數十億美元的能源成本并提高美國的經濟競爭力。

該研究所旨在通過再利用和循環利用來減少人造材料在整個生命周期內的能源使用量。美國制造業每年要消耗全國近三分之一的能源，其中大部分能源都被蘊藏在制造業的實物產品中。新技術可以更好地重新利用這些材料，從而為美國每年節省高達1600萬億BTU（英國熱量單位）的能源，相當于2.8億桶石油，或者是美國一個月的石油進口量。

·先進機器人制造研究所（ARM）

美國國防部提出成立的該新制造研究所，致力于打造美國在智能協作機器人領域的領先地位。先進的機器人可以同人類進行無縫、安全和直觀的協作，完成裝配線上的繁重工作以及需要精確處理、復雜或危險的任務。美國國防部認為，如果人類和協助他們的機器人一起合作，有可能改變從國防和太空到汽車和衛生領域的眾多制造部門，從而實現高質量定制產品的可靠而高效的生產。

先進機器人制造研究所于2017年1月13日成立，是奧巴馬政府宣布的第14個美國制造研究所，也是最后一個美國制造研究所。總部設在匹茲堡，卡內基梅隆大學負責召集籌建小組。該研究所將集合一支龐大的團隊，包括31個州的84個行業合作伙伴、35所大學和40支其他團體。聯邦政府撥款加上產業界和州政府的投入總額約為2.5億美元。其中，聯邦政府承諾投入資金8000萬美元。克萊姆森大學勞動力發展中心將負責該新研究所的勞動力培訓計劃。

美國國防部在公告聲明中介紹了成立該新研究所的原因： 制造業早已經開始使用機器人，但如今的機器人通常成本高昂、作用單一、難以重新編程，而且為了安全起見需要與人隔離。要達到國防和其他工業制造所需的精度水平，機器人的使用必不可少，但資本成本和使用的復雜性往往限制了中小型制造商使用這項技術。因此，先進機器人制造研究所的使命就是整合各種各樣的行業實踐和研究所多學科的知識，包括傳感器技術、末端執行器開發、軟件和人工智能、材料科學、人機行為建模和質量保證，創造并利用機器人技術，建立強大的制造創新生態系統。在先進機器人制造研究所內，時機已經成熟，是時候去力爭實現一些技術的重大發展，其中包括但不限于協同機器人技術、機器人控制（學習、適應和重新定義目標）、敏捷操控、自動導航和移動、感知和傳感，以及測試、校核和驗證。

美國國防部認為，當前美國在制造機器人技術方面的能力是“分散的”，有必要進行更好的組織和協作，讓美國在該領域的全球競爭中擁有更大的優勢。

（全文續完）

(湯蘊懿 編譯)