美国国家制造创新模式探析

文／林雪萍 贲霖 王晓明

美国国家制造创新模式探析

文／林雪萍 贲霖 王晓明

美国国家制造创新网络战略是牵动美国“再工业化”战略的重要发展计划。美国制造创新网络是如何诞生、如何设想的？美国制造创新网络是如何建设的？先进制造的规划方法、创新中心突破性技术领域的遴选和评估机制如何？问题的答案可以成为中国制造业创新中心建设的他山之石。

国际顶尖的互联网和IT精英缔造了硅谷传奇，华尔街鲜亮的金融大亨控制了全球经济命脉，美国还在乎本土制造吗？美国又靠什么来保障制造业的领先优势？对于这两个问题的回答，导致了“制造业+创新”的美国国家制造创新网络（National Networking of Manufacturing Innovation，简称NNMI）战略的诞生。

正是为了最大限度地促进基础研发技术向商业化应用技术的转化，美国推出了国家制造创新战略计划，围绕着科技成果转化，形成了遍布美国的制造创新网络，旨在保持美国先进制造的竞争力。从2012年开始到2017年1月，美国共建立了14个创新研究院。

美国制造创新网络的诞生

美国总统科技顾问委员会(PCAST)发现，导致美国高科技制造业衰落的因素，并不在于高昂的劳动力价格——劳动力因素被过度夸大了，因为德国的工资比美国高30%至40%，但德国制造业仍然在发达国家一枝独秀。这个智囊团认为，是在将发明和发现转化成“美国制造”产品这个流程上出了问题。虽然美国仍然在基础研究、科学发现和创造精神方面引领世界，但由于大公司研发的大多数重点都放在了短期项目上，中间缺乏像早期的贝尔实验室、德国弗劳恩霍夫研究所等这样的专门机构来做转换性研究。

然而，创新是一个完整的链条，技术开发与技术转化是一个连续的过程，技术必须形成商业化应用或进入规模化生产，才能完成一次创新过程。科技到生产力中间存在一个“鸿沟”，这个介于基础科研和商业化生产之间的空缺被称为“死亡之谷”。如何将基础研究方面的成果转化为新技术的商业化应用，是制造业解决创新问题必须跨过的一道坎。

对于如何填平这样的鸿沟，美国提出的对策就是，建立工业界和学术界合作的制造创新机构，通过“握手机制”，政府负责前半棒，后半棒交给工业界。美国总统科技顾问委员会在2011年提交的《确保美国在先进制造业的领导地位》报告，成为支撑后来美国制造业发展的重量级报告。它推动总统宣布实施“先进制造伙伴”（AMP ，Advanced Manufacturing Partnership）计划，该计划最主要任务就是识别工业界、学术界和政府之间的合作机会。

在此基础上，国家制造业创新网络（NNMI）设想被提及并得以落实，成为一种促进政府激活美国先进制造潜力的重要战略。在运作机制上，主要采取PPP模式，即政府、学术界、工业界三方合作，共同出资出力，共同致力于解决NNMI的目标问题，共同分享成果。而这种模式，也是针对私人资金无力解决“鸿沟”问题的对策。

国家制造创新网络的含义

作为一个国家级制造业创新项目，NNMI重点体现了它作为两个创新层次的网络结构。

第一层是创新研究院IMI（Innovation Manufacturing Institute）。战略规划指出，IMI是按PPP方式由政府、学术界、企业界合作，共同投资建设的致力于开发世界级先进技术和能力的实体。每个IMI必须有其突破性技术领域及其第一流的中心设施，允许和参与方在此基础上进行相关技术领域的预备竞争力研发（技术成熟度4～7，共九级），同时，IMI提供培训、教育以及致力于可持续的、稳定的先进制造技术生态环境的创造。

图1 基础研究的商业转化“鸿沟”

第二层是NNMI网络，该网络由各IMI及其下属子网络组成。通过各个地域化的IMI的作用，并且相互连接，从而在整体上增强美国制造业的全球竞争力。

促进创新技术向规模化、成本分摊和国内产能转化，是一个相对复杂的目标，这也是美国制造创新网络的核心，也就是说，它要解决创新过程中制造业的“死亡之谷”问题。

它采用了一个非常具体的度量工具，那就是技术成熟度（TRL）。

TRL值在4到7区域，大量技术创新成果由于没有得到及时足够的支持，很难转化成为现实的生产力和产能，没有能够产生应有的经济效益。

这一区间，由国家投资、企业院所配套来解决。

每个创新院IMI，政府给予的资助额度一般在7000万到1.2亿美元之间，时间跨度是5～7年，民间资金和政府资金的比例一般为1∶1。不同领域的资金配比会有所不同。在一些领域，如增材制造、智能纺织的民间资金配比往往会远高于这个水平。至于财大气粗的光电集成创新院，其配比资金更是高达5∶1。联邦资助的支出规划根据IMI特点的不同有所不同，但基本是在初始阶段完成后逐年减少，最后需要创新研究院能够在财政上自负盈亏、自行发展。

创新研究院的自主资金来源可以非常多样化，例如会员费、付费服务、合同、预研生产、研究资助、知识产权转让和捐赠等。波音、洛克希德·马丁、通用电气几乎加入了所有已成立机构，并且缴纳高额会费成为高级会员。这些巨头公司对技术转化的垂青不言而喻。而分级会员制，则是每个制造创新机构运行的基础，并且制定了非常详尽的知识产权产生规则和使用规则，这样就在一开始把知识产权的边界圈定清晰。

作为公私合作（PPP）创新模式的最新代表，国家制造创新网络中的每个已经成立的制造创新机构都实施了分级会员制，即根据缴纳会费的不同将会员分为若干级别，每个级别分别拥有不同的权利和义务。

图2 政府投资逐渐退出

总体而言，美国制造创新研究院的基本目标可以用三个词来概括：产业竞争力、商业转化力和新型劳动力。而政府起到的最重要作用，就是促进自循环，也就是让这个“摩天轮”能够持续转下去。

美国制造业创新特别强调“创新技术的商业转化力”，这是它的核心所在。制造业创新网络所要解决的问题在于“商业化的转变能力”，重点是商业转化，而不是技术创新。

正因如此，NNMI在2016年9月被重新命名为更加鲜明的Manufacturing USA（制造业USA），以便更好地传播和记忆。名称的改动，也成为美国制造创新网络商业化的一个小小注脚。商业转化能力，显然只是最终实现价值的一个过渡性阶段，但却是最重要最需要呵护的一个阶段。因为它是一个脆弱的“婴儿”，需要穿过一段狭长无人照顾的峡谷。而美国政府打算扮演一个“阶段性托管”的角色。

制造业USA的创新中心技术领域是如何确立的？

自从2012年8月，第一个增材制造创新研究院确定为“制造业USA”的先导创新机构以来，美国在不同的工业技术领域陆续成立了14个创新机构。这些创新机构都有其不同的聚焦技术领域，有些并不出意外，比如3D打印、轻量材料、机器人等；而有些却让我们耳目一新，比如先进功能纺织品、生物组织制造、流程集约化实施的快速推进等。

那么作为国家级制造业创新计划的制造业USA，是如何确定创新机构的突破性技术领域（MTA，Manufacturing Thrust Areas）的呢？又是如何通过科学方法确保突破性技术领域的科学性、准确性和有效性的？

图3 ：美国制造创新的逻辑

制造业USA涉及复杂的系统工程问题，决定性影响因素非常多样化，既有世界范围内制造业先进技术潮流、国家创新战略、制造业创新战略，也有创新机构招标发起人的优先利益重点、技术成熟度/产业需求迫切度等。

毫无疑问，这是一个自上而下设计的国家创新战略模型，环环相扣：国家创新战略指导先进制造业创新战略，而先进制造业创新战略则指导制造业USA的技术创新战略。制造业USA的建设，充分体现了一个系统工程的落地实践过程。

自上而下的设计，国家制造业创新战略模型

美国国家创新战略是2009年提出，回应当年的经济危机的复苏法案。题为“Strategy for American Innovation: Driving Towards Sustainable Growth and Quality Jobs”（《美国创新战略：推动可持续增长和高质量就业》）。2011年进行了第一次修订，题为“Strategy for American Innovation: Securing Our Economic Growth and Prosperity”（《美国创新战略：确保我们的经济增长和繁荣》）。2015年又进行了第二次修订，形成了终稿。

2009年的第一稿，主题为面向持续增长和高质量的就业创新。这一战略报告分为三个部分，简言之就是基础设施、市场刺激和技术催化。其中在技术催化部分中提出了国家战略层面的优先技术领域，而其中和制造业密切相关的有清洁能源（可再生能源、能源集约化、生物能源、太阳能、风能、节能楼宇、能量存储、碳捕获等等），先进车辆技术（电动汽车、生物燃料、高能效汽车、电池技术等），以及其他一些有待突破的技术热点：轻量军用背心、光合碳中性燃料的生物制备系统、智能假肢等等。

2011年第二稿主题是以创新确保国家的经济增长与繁荣。在第一稿的基础上，参考了两年来的新形势变化，引入一些新的创新动议，细化了第一稿的创新金字塔框架等。在国家战略层面和制造业相关的优先技术领域，除了清洁能源等在第一稿中已提出的技术领域以外，还重点提出了纳米技术、先进制造技术、空间技术、高效低成本医疗设备设计制造。

2015年，美国国家创新战略收效显著，2014年创造了上世纪90年代以来未有的就业增长。而国家创新战略也在此形势下日趋清晰和完善，从而形成美国国家创新战略的终稿。

终稿的国家创新模型提出了六个关键元素，对每个基本元素均详细展开予以说明。新的模型着重提出了公有和私有两个经济领域的创新、创新生态系统和先进制造技术创新的国家战略，而且给出了在制造业上三者结合的具体形式：国家制造业创新网络（NNMI），明确将NNMI项目写入国家创新战略中。

自下而上，国家创新战略的演绎和集思广益

基于国家创新战略的指导，2011年6月美国总统科技顾问委员会（PCAST）发布的“REPORT TO THE PRESIDENT ON ENSURING AMERICAN LEADERSHIP IN ADVANCED MANUFACTURING”（确保美国先进制造的领先地位）报告（简称“确保报告”，在这个报告里PCAST建议成立AMP 1.0）。该报告给出了先进制造领域优先支持的技术的评估标准：

1. 就业和产出的潜在高回报；

2. 包括有先发优势在内的可持续的竞争优势前景；

3. 尽管有足够的私有投资，但为市场失误所阻碍的技术；

图4 美国国家制造业创新战略推进时间轴

4. 基于PPP模式，工业界合作伙伴愿意进行投资的技术；

5. 基于PPP模式，包括足够规模的工业伙伴、初创企业和小企业在内，愿意在商业化早期阶段的基础研究上，进行一定程度投资的技术；

6. 进行的投资将有助于固化美国制造业实力的技术，例如共享实验室、试验工厂、技术构架、技术集群创建等；

7. 在产品质量和性能上，提高现有企业、实业界国际竞争力的共享基础平台。

同时，报告还就这些评估标准给出了一些优先技术领域的例子：

☆ 先进机器人技术 Advanced Robotics

☆ 纳米电子技术 Nanoelectronics

☆ 材料设计 Materials by Design

☆ 生物制造 Biomanufacturing

2012年2月，美国国家科技委员会（NSTC）在《美国竞争重新授权法2010》的指导下，制定了《先进制造业的国家战略》。该战略力求实现5个目标：

1. 加速先进制造技术的投资；

2. 增加先进制造业所需技术工人供给量；

3. 创立并支持PPP模式的政学产在先进制造领域的合作；

4. 优化政府在先进制造领域的投资；

5. 增加先进制造领域研发的公有、私有投资。

针对这五个目标，报告均制定了下一层的行动计划，并给出了目标的评估指标。在第四个目标的说明部分，战略规划将政府优先投资的先进制造技术领域分为四大类，以优化政府投资：

1. 先进材料；

2. 生产技术平台；

3. 先进制造工艺；

4. 数据及设计基础平台。

顶层设计研究先行

AMP 1.0的优先技术是如何入选的？这是一个非常值得关注的话题。

2012年7月，AMP 1.0发表了题为“Report to The President Capturing Adomestic Competitive Advantage in Advanced Manufacturing”（获取制造业国内竞争优势）报告（简称AMP 1.0报告），提出以三大支柱为基础抓住先进制造竞争力。AMP下属有5个工作小组，分别在技术发展、共享平台、教育和劳动力、政策、外联方面进行基础研究。

技术发展工作小组提供了关于先进制造优先技术的辨识研究，按照一套系统方法为AMP建议了11个优先技术方向，作为将要陆续创建的NNMI下的创新机构的技术聚焦领域。这些技术方向是：

△ 先进传感、测量及工艺流程控制

△ 先进材料设计、合成和处理

△ 可视化，信息技术和数字制造

△ 可持续制造

△ 纳米制造

△ 柔性电子设备制造

△ 生物制造及生物信息学

△ 增材制造

△ 先进制造及测试设备

△ 工业机器人

△ 先进成型及接合技术

优先制造技术领域的识别与评估

识别优先制造技术领域所需的数据主要来自：

☆ 调研统计

在工业界和学界的参与者中对未来的重要工业领域、关键技术、PPP模式的最佳实践范例及模型进行调研。

☆ 研讨会

和工业界、学界参与者进行研讨，识别制造业竞争力所要求的优先技术。

☆ 研究

研究和参考其他国家在识别和培育优先制造技术的机制。

☆ 白皮书

指定专家组提供。

优先制造技术领域的评估，则根据美国国家利益需要迫切度、国际市场需求、美国该项技术的竞争力，以及国际上该项技术的成熟度这四个方面的得分得出结果。

具体的评估步骤是：

第一步，由业界和学界的参与者进行先期评估，初步识别出对于美国制造业在未来十年在经济和国家利益上具有最重大的影响力的技术。

第二步，在第一步基础上，更广泛地让大学成员（APLU）、业界成员（MAPI）和中小企业成员（NCMS）参与评估，搜集反馈。

第三步，让更广泛的学界、业界成员参与对于第二步的结果评估，最终产生美国未来的先进制造领域的优先重点技术。

2014年10月，AMP 2.0又发布了第二份报告“ Report to The President Accelerating U.S. Advanced Manufacturing（促进美国先进制造业）（简称AMP2.0报告）。报告就1.0报告中三大支柱如何进行加速给出建议。

在优先技术领域识别问题上，“加速”报告仍然是在调查问卷、小组会议、专家讨论等集思广益的基础上进行的。在1.0报告基础上，挑选出急需加速进行的技术领域。遴选的四个考虑因素是：

1. 工业和市场的拉动力；

2. 跨界综合能力；

3. 国家安全、经济安全影响力；

4. 对于现有优势的杠杆效应。

每个因素的分值从1到4，评估者分成4个小组，并有相同的权重，对1.0报告中11个制造业突破性领域（MTA）进行打分评估。有3个MTA被选为急需加速，它们是制造业先进感知、控制与平台(ASCPM)；可视化、信息与数字化制造(VIDM)；先进材料制造(AMM)。AMP 2.0附件1-10对于这三个MTA进行了详细分析，包括机遇、挑战、差距等，并提出加速建议，最终融入“加速”报告，成为其中一个部分。

一脉相承，种豆得豆

从2012年开始，牵头机构就在组织各方面专家进行关键技术的筛选，并不断对外发布公告。在第一轮三个阶段的关键技术领域评估过程中，共有超过1200个工业界、学术界和独立成员参加，最终确定了“突破性技术”所在的领域和方向。

2016年4月，美国国家科技委员会的先进制造小组委员会（SAM）发布了“联邦政府优先技术领域概略”，结合现状及未来发展趋势，提出了14个国家优先的先进制造技术领域，其中5个重点潜力技术领域：先进材料制造（如高性能合金、轻量材料的生产技术等）、面向先进生物制造的工程生物学（如人工合成蛛丝制造）、可再生医学的生物制造技术（如人体器官的活体3D打印）、先进生物产品制造（如生物燃油、生物化工品等）、药物连续制造等。

至此，水到渠成。且让我们回顾一下制造业USA名下各创新机构的建立时间表。

2012年，America Makes增材制造；

2013年，DDIMI数字制造及设计，LIFT轻量材料；

2014年，Power America宽禁带半导体；

2015年，IACMI复合材料，AIM集成光子制造，NextFlex柔性电子；

2016年，AFFOA先进功能织物，Smart数字制造，RAPID化学流程能量集约化快速推进，NIIMBL生物制药，ATB生物组织制造；

2017年，REMADE可回收可复用绿色制造，ARM机器人制造。

我们可以非常清晰地看到美国先进制造优先技术的决策机制的鲜明影响和一脉相承。

本着国家创新战略的指导精神，2016年4月，美国国家科技委员会的先进制造小组委员会（SAM）发布了“联邦政府优先技术领域概略”，结合现状及未来发展趋势，提出了14个国家优先的先进制造技术领域，其中5个重点潜力技术领域：

☆ 先进材料制造（如高性能合金，轻量材料的生产技术等）；

☆ 面向先进生物制造的工程生物学（如人工合成蛛丝制造）；

☆ 可再生医学的生物制造技术（如人体器官的活体3D打印）；

☆ 先进生物产品制造（如生物燃油、生物化工品等）；

☆ 药物连续制造。

另外9个已成立NNMI创新中心的技术领域：

△ 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。

由2017年回望过去5年，14个重点技术领域均为制造业USA成立的创新研究院所覆盖。

美国制造创新的冷思考

制造业USA被期待能在美国创新研发与先进制造中起到积极的桥梁作用。通过这一规划，科研机构的创新技术可以通过企业转化为先进制造产品。此外，在联邦政府资金的协助下，参与到制造业USA的企业也可以在相对较低的风险下生产先进制造产品，这使得企业可以最大限度地与各类创新机构形成密切合作，了解未来制造业的发展方向，以及获得产品开发、市场拓展和出口等方面的协助。

然而，实现制造业USA的目标仍存有一些困难。虽然它借鉴了德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会的运行模式，但二者也有十分不同的地方。例如制造业USA和其设立的创新研究院，许多相关负责人是兼职的。而德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会，作为欧洲最大的应用技术研究协会，致力于为企业开发先进的技术、产品和工艺，和其旗下的67家研究所均是以实体和正式编制的形式存在的。此外，和弗劳恩霍夫协会专注于解决技术问题不同，制造业USA还涉及国防安全、劳动力培训、出口、产品开发、重塑制造业声望等内容，这导致它的组织机构臃肿庞大。IMI委员会中的人数众多且背景各异，也会存在低效交流的可能性。

所以，制造业USA这种管理、运营模式的发展效率还有待观察。

除了管理之外，整个首批制造业USA计划中，来自联邦政府的资助仅为10亿美元（不包括地方政府配套资金和企业投资等），分5至7年内完成投资。在此之后，各IMI应自负盈亏，实现可持续发展。实际上10亿美元相比起美国其他创新计划，投资不能算多。例如，国家纳米材料计划自2001年成立起共获240亿美元投资，2016年仍然获得14亿美元投资。先进制造产业作为高投入、高门槛的行业，而国会对制造业的投资缺口巨大，因此IMI欲实现可持续发展，也是颇有难度的。

虽然美国的研究机构有大量的创新成果，但在产业化上亦存有困难。联邦政府的科研基金偏重于理论化和理想化的创新项目，对创新项目的实现难度往往不加以更多考虑。目前来看，已成立的14所创新研究院中，有为数不少的创新技术仍处在基础研究阶段，何时实现产业化尚不够明朗。

另外就是劳动力大军培养和就业问题。一方面美国工人在美国社会中属于偏低收入人群，例如，多数一线工人工资周薪在850美元左右，而白领劳动者的平均周薪在1560美元左右。低收入导致一部分从业者远离制造业一线，从而影响了制造创新网络加速培养先进制造业劳动力的目标。而且其战略报告中提出的“学徒制度”等对制造业技能人才的培养，缺乏明晰、周密的计划安排及相关薪酬政策。另一方面，美国制造业创新机构的一个典型的特征是面向未来的制造，一般都是面向高技能人才，它对于普通蓝领的劳动力吸收能力并不大，这也是美国制造创新需要面临的一个现实问题。

美国计划到2025年要建立45个NNMI创新机构，而后续会在哪些突破性领域（MTA）确立创新机构，如何延续确定MTA系统框架，我们拭目以待。

美国国家制造创新网络给予我们诸多启发。最重要的一点是，政府如何利用有限的资金，调动庞大复杂的社会组织，寻求多方面的参与。在几年时间里面，牵扯到几十份报告、数十条议案和法案，在十几个领域中寻找落地点，动员上万人，最终陆续确立了十四个创新研究院。这是一个庞大的工程和层层扩散的政府联动效应。

美国国家制造创新网络是牵动美国“再工业化”战略的重要发展计划，其呈现的各种动态、发展趋势和技术进展，值得我们长期关注。

林雪萍

南山工业书院创始人，北京联讯动力咨询公司总经理

贲霖

南山工业书院NNMI研究组负责人，北京联讯动力咨询公司美国分析师

王晓明

国务院发展研究中心研究员

责任编辑：孟繁科

mengfanke@ccidmedia.com