关键使能技术

黄健

2014年10月29日，美联储宣布退出量化宽松货币政策，标志着世界经济将进入一个新时代——全球金融危机后的大转变时期。各国竞争愈加激烈，除了在高技术领域的竞争之外，推行再工业化战略的欧美等国为了国内的就业将战火引入了一般制造业领域。而再工业化战略的核心重点，并非仅仅是抢占某些尖端、高技术制高点，而是实现制造业的全面整体发展，而通用、支撑、使能技术的重要性就显得前所未有。

为了支持通用、支撑、使能技术的研发，各国都事先提出了各自的战略、政策与计划，如美国提出了《国家制造业创新网络》、欧盟提出了《关键使能技术计划》、德国提出了《2020高技术战略》、英国发布的《2012-2015使能技术战略》、澳大利亚出台《使能技术国家战略》等等。作为国家的智囊与顾问，各类型的智库针对未来技术发布了相关的预测性报告。本文希望通过对这些报告的解读，总结出对于中国制造至关重要的关键使能技术，希望对政府在宏观决策上作出建议支撑。

一、使能技术的定义

一般而言，使能技术（Enabling Technology）是指一项或一系列、应用面广、具有多学科特性的关键技术，这些技术能广泛应用于各行各业，且能协助现有的科学技术做出重大的进步，在政治和经济上产生深远的影响。从先进制造技术层面上来说，使能技术能够通过基础研究解决各类制造业面临的共性问题，是连接基础知识和应用研究的桥梁（图1）。

世界各国在其国家战略中都对使能技术进行了定义，如苏格兰在其《面向光明的未来：苏格兰使能技术战略》中认为，使能技术是已经存在或即将出现的能给一个部门或多个部门带来竞争优势的技术，使能技术的研发和利用能增强企业的竞争力、创造高价值就业岗位、促使国家在未来经济竞争中占据优势地位。欧盟在《为我们未来做准备：制定欧洲关键使能技术发展的共同战略》中认为使能技术是一种知识密集型的技术，具有高研發投入、快速的创新周期、高资本风险和高技能就业等特征；使能技术能使经济发展中的生产、产品和服务紧密相连；使能技术还具有跨学科性，能推动不同领域的技术创新和应用。澳大利亚在其《使能技术国家战略》中将使能技术定义为能产生新产品、新服务或者使生产过程更高效的新技术或已有技术的新组合，并认为使能技术有潜力增加生产、产品、服务的突破性创新，能更有效地解决全球和国家面临的挑战。

二、各国使能技术战略

为了在全球经济重新洗牌后占据有利态势，世界各国（地区）都制定了针对使能技术的战略计划（表1）。

1.美国

美国国家科学技术委员会2012年2月发布的《先进制造国家战略计划》认为，生物制造和生物信息技术；先进材料设计、合成和加工；先进传感、测量和过程控制（包括信息物理系统）；纳米制造；柔性电子制造；可视化、信息和数字化制造技术；可持续制造；增材制造（3D打印）；工业机器人；先进焊接与成形技术；先进制造和检测设备等11项技术是帮助美国赢得竞争力优势的关键技术。

2.欧盟

2009年9月欧盟委员会发布了《欧洲关键使能技术发展的共同战略》，该战略将微（纳）米电子学、先进材料和先进制造系统、纳米技术、光子学、工业生物技术等科技领域设为关键使能技术（KETs）。欧盟委员会认为，KETs作为支撑、使能技术，将极大地促进通信技术、钢铁、医疗器材、汽车、及航天等领域的发展，不仅有助于面对社会与环境的重大挑战，还能够促进欧盟地区未来的经济持续发展，提升未来10年欧盟的国际竞争力。

3.英国

2012年11月，英国技术战略委员会（TSB）发布了《使能技术战略2012-2015》。将先进材料、生物科学、光电子器件及传感器、信息通信技术等4大技术列为使能技术（图2）。TSB认为这4大技术支撑了原材料安全和可持续发展、能源材料、高价值产品、大数据探索、云计算、生物信息学、现代软件工程、传感系统、光电子器件等对英国至关重要的技术。

4.德国

2010年7月德国联邦内阁决定延续“高技术战略”的成功路线，制定了新的“高技术战略2020”。在“高技术战略2020”中，联邦政府确定了气候与能源、健康与营养、物流、安全性和通信等5大最重要的国家需求领域，并围绕这5大国家需求领域确定了示范性项目和重要“关键技术”，包括生物与纳米技术、微纳米电子学、光学技术、微系统技术、材料与生产技术、航天技术、信息和通信技术以及服务研究等领域的关键技术。

5.澳大利亚

2010年2月，澳大利亚创新、工业和研究部（DIISR）出台了《使能技术国家战略》。该战略将纳米技术和生物技术列为国家的重要使能技术，一部分信息和通信技术也被涉及了，例如生物和纳米技术等技术在信息和通信技术中的新应用等。

6.苏格兰

2009年苏格兰发布了《苏格兰使能技术战略》，将通讯网络系统、信息计算技术和先进制造技术列为国家重点使能技术，希望在未来5～10年通过推动这些技术的创新和发展以增强国家创新力。

7.联合国工业发展组织

联合国工业发展组织（UNIDO）2013年发布的《全球制造业新趋势》报告认为，光子学、生物技术、微米技术、纳米技术、添加制造（3D打印）、制造系统中的信息通信技术、先进材料、环境和能源技术是未来制造业的关键使能、平台技术。

三、关键使能制造技术的遴选

由于各国（地区）需求不同，定位不同，技术及产业发展水平也不一致，因此在对使能技术界定的重点及重点发展技术清单存在差异。在将表1所列出的使能技术的非制造元素剥离，并且进行归纳总结之后，发现与代表先进制造发展趋势的半导体制造技术、材料计算模拟、3D打印技术和生物制造技术等存在重大重叠，吻合程度非常高。

以美国《先进制造国家战略计划》选定的11项关键技术为例，这11项技术与本文所遴选的关键使能制造技术具有相当高的吻合程度，如3D打印和生物制造技术重合了，并且其余9项跨学科技术也与半导体制造技术、生物制造技术、3D打印技术和材料计算模拟等存在重大重叠或交叉（图3）。

同样的，对欧盟提出的关键使能技术（KETs）的研究显示，KETs与本文提出的半导体制造技术、生物制造技术、3D打印技术和材料计算模拟等关键使能制造技术具有相当高的重合程度（图4）。

四、先进使能技术是推动制造业发展的关键

对各国推动使能技术的政策研究发现，各国无一例外地将先进制造技术作为关键使能技术予以大力支持。而代表了先进制造技术发展趋势的半导体制造技术、材料计算模拟、3D打印技术和生物制造技术等，则是推动社会经济发展的关键中的关键。这种关键使能性主要体现在2个方面：①关键使能制造技术直接支持了装备、产品的生产与制造，直接推动社会经济发展；②关键使能制造技术通过对其他具有关键意义（如可持续性和变革性等）技术的支持，间接地推动社会经济发展。

半导体制造技术、材料计算模拟、3D打印技术和生物制造技术等关键使能制造技术，是小到个人生活日用品，大到航空航天等“国之重器”的关键支撑技术。

日用品方面，以手机为例，3D打印可满足手机外壳定制化需求，材料计算模拟推动了新型信息材料的开发；半导体制造技术的进步使手机更轻更薄；生物制造为手机外壳及包装提供了绿色可降解材料（图5）。

大型高端装备，以飞机为例，生物制造技术生产了生物燃油为飞机提供能源；3D打印技术为航空发动机制造了关键零部件；工程师材料计算模拟为飞机开发了新型合金材料、研究材料在极端环境下的使役行为（如高温、电击等）、简化了设计制造流程等等；半导体制造技术则为飞机提供导航通信、各类传感器（如温度、压力等）、功率电器等等（图6）。

又如卫星，半导体制造技术为卫星提供了太陽能能源；材料计算模拟技术研究了卫星结构材料在极端环境下的使役行为；3D打印技术可以现场制造了各种形状的零部件，避免卫星发射时携带过多物资等等（图7）。类似的，关键使能制造技术也为轨道交通装备提供了支撑。

五、结语

如前所述，在将各国所列出的使能技术的非制造元素剥离，并且进行归纳总结之后，发现代表了先进制造发展趋势的半导体制造、3D打印、材料计算模拟和生物制造是各国竞相追逐的热点。

1.信息技术融入先进制造技术的深度和广度与日俱增

随着信息技术的不断发展，信息技术更广泛地应用于制造业的研发设计、生产装备、产品流通、企业管理到营销渠道等环节，信息技术和制造技术融合进程将加速。研发设计领域，产品生命周期管理、计算机辅助工程分析、计算机辅助制造、计算机辅助设计、计算机辅助工艺计划、计算机辅助测试、产品数据管理等，正成为研发和设计的关键手段和工具。生产制造领域，围绕大数据、云计算的网络制造发展的新趋势正在形成，并呈现出网络化、智能化的趋势。

对信息技术研究发展的历史研究表明，晶体管、硅单晶材料及集成电路的问世，直接导致了电子工业革命的产生；半导体激光器、超晶格量子阱材料和高速器件的问世，使人类进入超高速光互联时代；未来石墨烯等二维材料的制备及加工、有机半导体合成等技术的突破，必将使得信息技术日新月异，因此作为信息技术的物质基础和先导，半导体制造技术的重要性将更加凸显。

2.先进制造技术的可变性

先进制造技术正快速朝着可变性迈进。这里的“可变性”是一个总体术语，它包括一些通常描述改变生产能力的现有范式的术语。这些术语包括“灵活性”，即指整个生产和物流区通过改变制造工艺、材料流和物流功能以合理少的时间和精力切换至新的-尽管类似的-系列或组分的战术能力；“可配置性”，是指是一个制造或组装系统通过添加或删除功能组件以最小的努力或延迟切换至具体的系列或工件或组件的操作能力、“可变性”，是指整个工厂结构切换至另一个产品系列的能力；“敏捷性”，是整个公司开发所需的产品和服务，以及建立必要产能的战略能力。

3D打印技术是近来兴起的一项具有巨大潜力的新技术，只需提供需要生产的产品的数字模型即可实现生产制造，对企业来说生产不同的产品无须对生产线进行调整，可以市场需求快速响应，并且在满足个性化需求（如百分百符合不同患者需求的人造骨骼等）方面具有无可比拟的优势。

3.新材料与先进制造技术联系紧密，互为依托相互支持

对于制造技术而言，设计是灵魂、材料是基础、工艺是关键、测试是保证。在设计、材料、工艺和测试这几个环节中，如果材料不过关，制造技术也就无法真正实现质的飞跃。新材料与先进制造技术的发展，是“源”与“汇”的关系，缺少一头都无法形成有机的循环，从而导致发展陷入停滞。只有发展新材料技术，才能使先进制造技术的发展成为有源之水；只有发展先进的制造技术，才使新材料技术发展汇通天下。

一般而言，新材料的应用时间跨度非常长，从最初的研究开发到最后的市场化及推广一般要历经10～20年，在这么长的时间段内投资风险很大。常规的材料设计与测试通常是通过陈冗的反复测试来实现的，可实际上大部分实验完全可以利用计算机仿真模拟来完成。通过仿真模拟不但可以大幅降低研发时间、成本和风险，还能有助于深入了解材料的细节，对突破性的思想和理论进行快速验证。

4.生物科学的发展衍生出先进制造技术新分支——生物制造

生物制造技术是近年来制造技术发展的新方向。生物制造技术在制造技术中引入了生物科学技术，打通了生命科学与传统的制造科学之间的联系，为制造科学开辟了一个全新的发展空间。

与传统的制造产品不同，目前生物制造的产品形成了简单的生理系统，具备某些生命功能，为细胞或组织的生长提供生理环境，或直接包含活细胞或组织，从形状至结构以及材料与功能，均可实现个性化的制造。