2018年德国弗劳恩霍夫协会科技创新、发展成果及国际科普活动动态研究

詹同叙，张晓静，高子涵，薛 力

(北京市科学技术情报研究所 北京100044)

1 德国弗劳恩霍夫协会概况

1.1 协会简介

德国弗劳恩霍夫协会(英文：Fraunhofer Society；德文：Fraunhofer-Gesellschaft；简写 FhG)成立于1949年3月，是德国也是欧洲最大的应用科学研究机构。弗劳恩霍夫协会总部位于德国慕尼黑，在全球范围内拥有80 多家机构，其中在德国有76 家研究院所，拥有超过2.5 万名员工，2017年预算约为23 亿欧元。该协会主要由科学家和工程师组成，基本资金通过联邦政府、各州和德国公众提供，其中30%来自政府无偿拨款，另外70%来自公共竞争项目，既包含政府及公共部门的竞争性科研项目，也包含来自于企业的委托项目。该协会宗旨是：支持科技知识的技术实用转化；致力于科学知识与技术环节的可实际运用开发；为硕士生和博士生提供实用研究领域的实践和进修；为欧盟技术项目和国际性科研项目的全球性科研布局作出贡献。

该协会的目标是大力开展科技实用性研究，主要有7 大研究领域：

①健康与环境。包括医疗技术；植入物、假体、生物可吸收材料；IT 技术应用及辅助系统；药品。

②开发。包括再生医学；营养及食品技术；生物技术与环境技术。

③安全与防护。包括有害物质的嗅探器检测；灾害救治与危机管理；保护基础设施；信息安全；文化财产的恢复与保护。

④机动性交通运输。包括电动汽车技术；铁路轨道技术；航空研究与运输；自动化移动性研究；航运与海事技术。

⑤生产性公共服务供给侧。包括工业4.0；产品开发；制造技术与生产工艺；汽车设备运转工程技术；智能机器人；材料。

⑥交流与知识共享。包括视听信号处理；媒体内容的制作、传输和分配；大数据；图像处理；云计算；电子商务；电子政务；嵌入式系统/环境智能；服务互联网/物联网；信息安全技术；宽带通信；电子学习、娱乐与游戏；模拟现实感；软件工程。

⑦能源与资源。包括可再生能源；有效利用能源；储能与管理；原材料的有效地利用；建筑与生活。

1.2 国际地位及科研领域

弗劳恩霍夫协会是《欧盟2020 战略》和《欧盟“再工业化”战略》中的德国科技发展的重要力量，它积极参与欧盟的科技发展项目，接受来自德国各州政府和联邦政府的任务委托，重点参与对社会发展具有重大意义的环保、能源、健康等领域的一系列战略性的科学研究。2017 汤森路透发布的《全球最具创新力政府研究机构25 强》榜单中，美国卫生与公共服务部、法国原子能委员会、德国弗劳恩霍夫协会名列三甲。

1.3 国际化发展及国际合作情况

弗劳恩霍夫协会在全球范围内，推动科研能力建设，鼓励科学家与科研机构建立合作关系，积极参与科技创新项目研究工作。除了在欧洲，弗劳恩霍夫协会也参与在美国、亚洲、非洲和中东的国际活动。其在美国的活动最为活跃，分别设立了9 个研究中心(见表1)。在亚洲设立了3 个研究中心，在新加坡设有子公司，在中国、印度、印度尼西亚、日本和韩国分别设有代表处。它们形成了亚洲市场和弗劳恩霍夫研究所之间的桥梁，其活动主要集中在市场营销和业务拓展上。这些办事处提供所有弗劳恩霍夫研究所的相关咨询、研究和开发服务，具体包括问题分析与市场评估，产品和制造工艺的优化，支持引进新的创新技术和组织形式。

表1 弗劳恩霍夫在美国设立9个研究中心Tab.1 9 Fraunhofer Society Research Centers in US

2 2018年弗劳恩霍夫协会技术创新发展动态

2.1 电池与储能技术

当今世界，储能技术正处于不断变革创新的进程之中。便携式收音机、手电筒、智能手机、电动汽车、太阳能或风能等都要依靠电池储能技术进行能源存储。在太阳能与风能发电并网技术和互补发电系统中，电池的能量存储是可再生和清洁能源技术的重要环节。目前，德国能源行业和汽车行业作为两个主要的经济支柱产业，正在密切关注电池行业的研究与发展，而电动汽车产业的迅速崛起也给予了电池研究更高的热度。

2.1.1 弗劳恩霍夫协会在电池领域的研究贡献

弗劳恩霍夫协会一直致力于电池的研究与发展，从创新材料的开发和电池单元的优化设计，到高效生产和可持续的能源储存，该协会都占据着专业知识上的优势。近几年，弗劳恩霍夫协会与多家研究所组建了“电池联盟”项目。该项目是一个由德国经济与能源部资助的研究型联盟，其目标是依靠现有的材料和技术为电池制造行业提供创新且实用的解决方案，从而推动电池产业的发展。目前共有19 家研究所参与这一联盟，并已取得初步进展。专家预计，在未来5年内将有可能逐步改进现有材料，利用新型材料设计和制造电池。除此之外，该协会的研究人员还致力于电池的能量密度、额定容量、充电时间、电池重量、电池尺寸以及实用性等方面的研究，目前主要针对电动汽车电池的额定容量因素、便携性问题以及电池在生态环境方面的污染和回收利用等难点问题进行深入研究。

2.1.2 新型材料与电池的研究开发

弗劳恩霍夫协会的材料和光束技术研究所(IWS)、化学技术研究所(ICT)和硅技术研究所(ISIT)主要负责电池材料的研发。研究人员现阶段正在尝试研发一种新型材料，利用现有材料进行新形式的组合，并尝试钠硫或锂硫电池的开发。在材料创新方面，金属空气电池是未来电池的发展趋势。金属空气电池仅需要一种金属介质进行发电，可通过电极从空气中获取，这一方法大幅增加了电池的存储密度。在所有的金属空气电池中，锂空气电池最具发展潜力，是电池领域未来的主力军。金属空气电池还可在理论上改善电池充电问题，因为空气无处不在。

2.1.3 电池的生产制造工艺研究

弗劳恩霍夫协会的硅技术研究所(ISIT)、陶瓷技术和系统研究所(IKTS)、材料和光束技术研究所(IWS)以及生产技术和自动化研究所(IPA)一直致力于电池的制造过程方面的研究工作。研究重点是设计出更高效、更节约资源、更符合成本效益原则的电池，研究所主要针对可大幅度降低电池生产成本的电池电极干式涂覆工艺过程开展合作研究。陶瓷技术和系统研究所(IKTS)负责利用其在陶瓷领域的专业知识来优化活性材料和隔膜组件的加工过程，并跟进包括电池电极在内的材料的进一步处理。硅技术研究所(ISIT)主要负责对柔性制造工艺进行研究，使这一工艺能运用于制造私人定制的锂电池。

2.1.4 新型电池的安全测试

弗劳恩霍夫化学技术研究所(ICT)、弗劳恩霍夫材料力学研究所、恩斯特马赫研究所(EMI)和弗劳恩霍夫太阳能系统研究所(ISE)负责研究的是新电池的全面安全测试，因为电池存在较大的安全隐患，高密度且结构复杂的电池可能会引发危险火灾。在安全性能测试中，电池会被不断地碰撞、压缩、拉扯、触碰尖锐物体或暴露在极端温度下。研究人员能够通过这些测试分析电池损坏的后果，借此进一步完善电池的结构。此外，在个别情况下某些电池制造材料可能会产生有毒气体，因此也要对电池制造材料进行安全测试。

2.1.5 固定设备的电池技术

电池不仅仅为移动设备供给能量，在固定设备的使用中也将使用电池进行供电。弗劳恩霍夫协会化学技术研究所(IKTS)的研究人员正在开发结构特殊的氧化还原液流电池，可将能量储存在外部的液体罐中，电源转换器和电子元件相互分离，这意味人们可以随时控制电池的剩余电量，通过更换外部液体罐来补充电量。尽管重量和尺寸等因素对于移动电话或汽车电池来说非常重要，但是这些因素并不会对固定设备造成太大影响，因此利用外部储能设施被视为固定设备储电的绝佳解决方案。

2.2 认知系统与智能机器人技术

智能机器人技术已经被用于越来越多的行业，帮助人们更好的工作和生活。国际数据公司(IDC)预计，到2020年，全球在机器人认知解决方案方面的支出将超过400 亿美元。弗劳恩霍夫研究中心的目标是将该中心的科研活动集中在与认知机器人相关的研究领域，并推动这一领域持续发展。

2.2.1 服务型机器人

服务型机器人可以分为专业领域服务型机器人和个人/家庭服务型机器人。服务机器人的应用范围很广，主要用于维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。

以专业领域服务机器人为例，服务型机器人Paul在一家电子零售商店中作为购物助手招揽顾客，帮助客户选择合适的产品并引导他们轻松找到摆放商品的货架。除了与客人进行常规对话外，Paul还会向他们收集一些反馈意见，为自己的表现打分。Paul是机器人认知系统Care-O-Bot4®的产物，由弗劳恩霍夫协会制造技术和自动化研究所开发，主要用于家庭、酒店、疗养院或医院服务。在服务过程中，机器人每一次与人类沟通对话的数据资料都会作为数据样本被记录，并自然运用到下一次的对话中，这个过程还可以提升机器人辨别、解决新问题的能力。

机器人认知系统主要作用是帮助机器人了解周围环境、规划行动路线、识别进程中的障碍物和与人进行交流。这种认知系统使得机器人可以规划和优化流程、进行行为预测、检测异常情况、分析图像和语音信号，同时也是未来人工智能研究的基础。

2.2.2 新一代Care-O-bot®

Care-O-bot®是一个移动机器人认知系统，目前已经开发到第四代。新版本更加灵活，与人类的互动交流也更灵敏。另外，该机器人采用了低成本的设计原则，其内部结构很大一部分采用低成本阻尼片，大幅降低了制造成本。第四代Care-O-bot®的灵活性和表现力都有显著提高，原因是机器人头部和臀部使用了球窝关节这一专利技术，从而扩大了机器人的活动范围，并且能使其头部和躯干360°旋转。

第四代基于其模块化系统的新概念，具有更多的可操作性。机器人可以配备一个、两个或者更多手臂甚至可以不安装手臂；躯干和头部的球窝关节是可选的，是否安装关节取决于所需灵活性的多少。除了对机器人外部构造的改进外，用户体验感也是研究的重点环节。调查表明，社交礼仪对交互式服务机器人来说也至关重要。Care-O-bot®能够根据情况通过头部集成显示器分析客人的多种情绪，也在机器人系统中添加了更多的礼貌用语，这些对于服务型机器人来说都是巨大的进步。

3 国际科普实践活动

2018年2月1 日，德国弗劳恩霍夫协会工业工程研究所(Fraunhofer IAO)在斯图加特举办了以“未来的工作世界”为主题的研讨会，推出“科学年”实践活动，针对智能新技术引领人类进入一个全新层次的生活和工作新模式等热题进行了深入探讨。活动的主要目的是打造一个集思广益并促进各方合作的新平台，旨在分享创新型实验室和研发实验室的研究成果，通过交流开拓研发工作，拓展研究视角。

除此之外，该研究所于2018年10月9 日在柏林举办弗劳恩霍夫论坛，主要讨论人机互动、工业4.0和资格认证等方面的问题。作为“智能技术体验”的一部分，参观者不仅可以看到与未来工作相关的展品，还可以亲自参与到体验课程中。该次活动准备的展品主要围绕“生产力”和“健康”两大主题，特别针对人员、技术、组织三角关系中，人们应该如何应对未来的挑战等问题做了详细解答。除了展览之外，该论坛还会举办关于政治和科学的对话活动，以便在数字化和全球化的背景下确定“人工智能工业4.0”的战略领域。

该研究所“应对全球化未来工作世界”将主要集中5 项研究重点：领导力的激发，灵活的工作和组织形式；“工作4.0”的发展；面向未来工作环境的交互技术研究；“工业4.0”大环境下未来的生产工作和人机协作的发展；人机交互，从用户为中心的交互设计到脑机接口技术。

4 结 语

弗劳恩霍夫协会是公助、公益、非营利的科研机构，为企业，特别是中、小企业开发新技术、新产品、新工艺，协助企业解决自身创新发展中的组织、管理问题。围绕全球科技热点研究领域，其研究成果一直影响着全球科技的未来发展。该协会注重政府、企业和非政府组织之间的合作，还鼓励全球范围内科学家和科研机构建立良好的合作伙伴关系，巩固科技发展和经济市场的效益和合理性发展，促进科研技术成果转化，创建稳定全球经济政策的机制框架。我们应借鉴该协会制定的一种融资模式——“夫琅禾费模式”，使协会与自身的商业成就紧密相连，将科研成果转化为实用技术，使我们的学/协会更好地为政府机构、工业界、企业和公共部门服务。