【科技参考】美国发布《国家先进制造业战略》

制造业是美国经济实力和国家安全的引擎。随着新技术和创新带来生产力的提高，制造业的进步推动经济持续增长，并使下一代产品成为可能，同时能够创造新的、高质量的、收入更高的就业岗位。当前，美国仍是先进技术的领导者，但自21世纪以来，美国高科技制造业的生产和就业急剧下降，新冠肺炎大流行更是暴露了美国制造业供应链的脆弱性，导致医疗用品、关键矿物和半导体等关键产品严重短缺。为推动先进制造业发展，2022年10月7日，美国国家科学技术委员会发布《国家先进制造业战略》，用以改善美国政府部门之间的协调，并为支持美国制造业竞争力提升的联邦项目和活动提供长期指导。

自动化、数据科学、人工智能、机器学习、生物技术和材料科学等领域的最新进步，加上经济脱碳、医疗保健和国家安全等紧迫性挑战的需要，正在为先进制造业创造新的机会。

美国承诺到2030年将温室气体净排放量在2005年水平的基础上减少50%至52%，到2050年实现净零排放。《国家先进制造业战略》建议大力发展以下技术或相关项目：

（1）制造过程脱碳。包括：开发和示范先进制造技术，提高能率，使工业过程电气化，在制造过程中使用低碳原料和能源，支持使用避免工业过程直接排放温室气体的新化学物质，捕获和封存工业二氧化碳，并研发温室气体密集型工业产品的替代品；创建和推广验证工具和流程，推动将电气化和高效技术融入制造业；提高先进材料和工艺的透明度，降低能源和碳足迹。

（2）清洁能源制造技术。包括：改进材料、制造工艺和产品设计，推动清洁发电和存储发展；支持零排放交通、建筑和工业，实现脱碳经济；支持先进导电材料、处理技术和机器开发，强化设备和材料制造，实现更高效的功率转换和传输；生产具有高能量密度和使用新型安全可持续材料的先进电池，用于低压和高压设施。

（3）可持续制造和回收。包括：开发经济可行的制造技术，将有价值的材料从废物中分离出来，并开发能源或污染密集型材料的替代品；开展分选、净化和解构技术研发；加大可持续材料的设计和制造，开发更多各类材料的回收和循环方法，推进相关试点项目和设施部署；改进数据和方法，评估产品全生命周期的影响，并确定需要改进的领域。

半导体是微电子学的基础，半导体技术的进步对国家安全和经济部门至关重要。未来半导体的性能改进需要研究新的微电子材料、器件和互联解决方案。《国家先进制造业战略》建议大力发展以下技术或相关项目：

（1）半导体和电子的纳米制造。包括：投资集成光子学制造、增材制造、印刷电子、混合电子制造等，充分利用纳米制造的潜力；发展物理、化学和生物方法，将原子精确放入并结合到所需的分子和结构中。

（2）半导体材料、设计和制造。包括：开发先进制造能力，允许新设备、新材料和新架构的创建和测试；为国内公司和大学提供易于获得的设计工具和微电子制造设施；为微电子设备和元器件引入高效和可持续的操作。

（3）半导体封装和异构设计。包括：引入新材料、新工具、新设计、新工艺和新型组装与测试方法，实现更高密度、更大产量和更为可靠的先进封装；加强研发和原型设计，提高生产效率和可靠性；发展美国异构封装集成研发设施。

美国的生物经济将由生命科学和生物技术领域的创新驱动，并与工程、计算和信息科学领域的技术进一步深度融合。2022年9月，拜登签署一项“关于推进生物技术和生物制造创新”的行政命令，呼吁采取全政府措施，推进生物制造，为卫生、气候变化、粮食安全、供应链韧性以及国家和经济安全等提供创新解决方案。《国家先进制造业战略》建议大力发展以下技术或相关项目：

（1）生物制造。包括：支持促进生物制造的研究，包括基因组学和蛋白质工程化生产工具、多细胞系统工程、生物模型和用于生物加工的生物技术方法；推动多组学研究和生物计量学进步，用于预测建模和生物处理分析工具；支持提高原料准备、技术准备和生产准备水平的分析工具；确保上述产品不被用于不道德目的。

（2）农业、林业和食品加工。包括：支持先进基因组测序、生物信息学、功能表型预测建模、控制系统集成以及食品、饲料、燃料和纤维制造领域的人机协作研究；开发低成本可持续能源水处理技术。

（3）生物质加工和转化。包括：开发适当的方法、流程和技术以利用美国可用于可持续生产的10亿吨生物质，并将其转化为制造原料；通过先进的预测过程建模、生物过程分析、基因组学和蛋白质工程，实现理想的生物质原料预处理、加工和解构；对生物废料进行厌氧处理，以产出沼气、可再生天然气、肥料、生物炭、工程碳、清洁生物能源、电力和热/冷联合动力等。

（4）药品和医疗保健产品。包括：发展先进的连续生产、在线过程监控、集成的人工智能辅助系统和新颖的细胞培养技术；发展减材和增材制造以及基于生物的制造，以创建针对患者个性化的医疗产品、设备和由生物技术驱动的给药系统。

先进材料被广泛应用于多个工业部门，对于新产品的开发以及经济和国家安全至关重要。《国家先进制造业战略》建议大力发展以下技术或相关项目：

（1）高性能材料设计和加工。包括：通过集成基于物理的计算和数据驱动的机器学习工具，提高材料设计和加工能力；加速高性能材料的测试、认证和工艺验证，简化进入市场的流程；形成在恶劣使用条件下对材料行为和性能的预测能力。

（2）增材制造。包括：开发所有用户都可访问的增材制造过程优化框架；开发新型传感器，提升过程监测和控制能力；开发机器学习算法，分析大型、安全、互操作的数据流并实现反馈控制；开发合适的工具，创建新的针对增材制造的材料和能力；实现将增材制造技术与智能制造平台融合。

（3）关键材料。包括：识别和整合替代材料与技术，减少或取代高需求技术中关键材料的使用；为各类关键材料开发先进的分离和加工方法；为关键部件和产品开发可重复使用、回收利用、再制造和再利用的设计和制造方法。

（4）太空制造。包括：开发微重力环境下的增材制造工艺，创造可替换部件和太空基础设施；实现机器人与太空增材制造工艺的集成，用于深空探索；优先支持微重力生物制造投资，以扩大太空存在，包括可持续的食品生产、加工和回收，以及有害材料的灭活。

工业4.0范式是由互联互通和智能自动化技术引发的工业和社会模式的变革，其未来进步取决于能否在制造业中广泛采用强大的数字基础设施以及能否创建人工智能驱动的、在各制造商之间聚合分享数据的制造业商业模式。《国家先进制造业战略》建议大力发展以下技术或相关项目：

（1）数字化制造。包括：使先进传感、控制技术和机器学习在整个制造部门广泛应用；发展数字孪生，推进智能制造；制定数据兼容性标准，实现智能制造的无缝集成。

（2）制造业中的人工智能。包括：优先推进机器学习、数据访问、机密性、加密和风险评估方面的研发，推动在制造业中采用人工智能；开发最佳实践、标准和软件工具，创造新的商业模式，使生产数据商品化，同时维护数据安全并尊重知识产权。

（3）采用以人为中心的技术。包括：促进新技术和新标准的开发，通过实现安全高效的人机交互，扩大人机协作，增强生产工人的能力。

（4）制造业中的网络安全。包括：制定标准、工具和测试平台，并推广在智能制造系统中确保网络安全的指导方针；支持中小型制造商更新设备，并替换无法实现网络安全的生产设备。

为维持和发展拥有大量高质量岗位的强大先进制造业，美国必须增加制造业劳动力。

根据调查，除非迅速采取行动，否则到2030年美国预计将有210万个制造业岗位空缺。为此，《国家先进制造业战略》建议：为学生量身定制活动，提高对先进制造业职业的认识；将行业主导的能力建设伙伴关系制度化，与社区大学和地区高中合作，让来自在先进制造业领域代表性不足和所获服务不足的学生和家庭参与其中，并解决其所面临的社会性和结构性障碍，确保联邦项目朝着多元化、公平、包容和可及的方向发展。

教育和劳动力发展系统必须能够敏捷应对先进制造业所需技能和能力的变化。为此，《国家先进制造业战略》建议：扩展中小学科学、技术、工程和数学（STEM）教育改进议程，纳入先进制造相关概念、基础知识和技能；提高学生对多种职业道路的认识，并加强行业参与，为学生提供实践培训机会；通过资助资金和行业努力实现职业与技术教育的现代化和规模化，加强教学和学习，激发学生对制造业职业的兴趣；扩大和推广新技术，在中学和大学实施混合课程（如先进模拟），使学生能够掌握先进制造中的尖端设备和方法，扩大成人技能提高和再培训途径，增加进入先进制造业的机会。

制造业工人供需失衡的问题可以通过在雇主与培训和教育提供者之间建立更牢固的关系来解决。为此，《国家先进制造业战略》建议：扩大基于工作的学习和学徒制，如带薪实习、学徒前训练和注册学徒等，为工人提供获得先进制造技能的平台；鼓励产业界与教育界合作，跟踪不断变化的职业要求，开发和更新评估方法，为新的先进制造业职业构建资格认证体系。

韧性是指从意外冲击中恢复的能力，需要可见性、敏捷性和丰富性。供应链韧性通过相互依存的系统来抵御外部冲击，包括地缘政治冲突、网络攻击、能源中断、金融危机、自然灾害和流行病等。

制造企业之间强有力的合作可以降低成本，增强创新并应对供应链中断等好处。《国家先进制造业战略》建议：

（1）促进供应链合作。包括：促进公私合作伙伴关系，改进制造供应链中的技术采用和环境减排；在供应链参与者之间构建信任和透明度。

（2）推进供应链数字化转型的创新。包括：为关键部门构建数字化供应链高速公路（数字线程/数字孪生），从原材料到使用寿命终止，再到回收再利用，使私营和公共部门能够使用和分析纵向和横向供应链。

随着联邦和州机构开始绘制、监测和分析关键部门供应链，供应链韧性成为美国的关键优先事项。《国家先进制造业战略》建议：

（1）跟踪供应链信息和相关产品。包括：通过提高供应链跟踪意识、共享数据共享、改善报告、推动网络安全集成标准化等，帮助识别和快速减轻风险；开发工具和实践，帮助大型供应链合作伙伴标记漏洞和改进网络安全。

（2）提高供应链可见性。包括：开发和实施在提高供应链可见性的同时保护隐私的供应链绘制战略、数字工具和标准，特别是针对向具有巨大溢出效应的单个供应链进行投资的公司和行业，如能源生产、半导体或运输行业；利用人工智能系统和经济分析对关键节点进行监控，提前识别供应链冲击和压力源。

（3）改进供应链风险管理。包括：通过改进对不确定环境下决策后果的预测，改善供应链外部因素风险管理；确保在出现流行病和其他“几率低、影响大”事件时保持敏捷；开发和推广帮助企业衡量、评估和提高其供应链韧性的技术。

（4）塑造供应链敏捷性。包括：开发支持在供应链受到冲击和压力时提升生产能力和缩短交货期的技术；制定和使用先进流程和员工培训最佳实践，促进领军企业与供应商间的合作。

先进制造生态系统由各种类型和规模的制造企业组成，它们都在创新过程中发挥重要作用，从而创造出新产品、新流程、新商业模式和新市场。《国家先进制造业战略》建议：

（1）推动新企业创建和成长。包括：提供关键支持项目，如创业培训、为科学家和工程师提供创业指导等，并对企业成长和影响力进行长期跟踪。

（2）支持中小型制造商。包括：支持和激励中小型制造商采用先进制造技术；确保中小型制造商能够获得联邦项目和机构的广泛支持，提高其对先进制造的了解和投入。

（3）协助技术转化。包括：协调跨机构和联邦技术转化相关政策小组之间的关系，确定所有社区和机构中适合从实验室过渡到市场的技术；优先为计量学和标准开发领域的研究提供资金，促进研发向制造的可持续转化。

（4）构建并加强区域制造网络。包括：建立区域合作，加强技术和劳动力发展之间的联系，促进区域经济发展；战略性地协助进行多部门和多区域规划，发展领导力、技术和专业知识，维持并壮大区域制造网络。

（5）改善公私合作伙伴关系。包括：支持现有的和新的公私合作伙伴关系，大力发展先进制造技术和劳动力教育；继续利用联邦召集权，确保相关各方，特别是中小型制造商和所获服务不足的社区充分参与。

编译：中国科学技术信息研究所  张丽娟

来源：《科技参考》2022年第54期