美國製造業創新研究所概況
撰稿人：王德生
2008年全球金融危機爆發以來，美（měi）國將發展先進製造業提升到增強國家經濟實（shí）力、保障國防安全、確保全球競（jìng）爭優勢的重要戰略高度。奧巴馬政府提出了“再工業化”和“重振美國製造業”戰略。但是，這些戰（zhàn）略並非簡單地恢（huī）複美國傳統製造業（yè）增長勢頭，而是重點培育發（fā）展高端先進製造業新增（zēng）長點，以搶占新一輪科技發展的製高點。為此，美（měi）國出（chū）台了一係列（liè）舉措，特別是整合政府（fǔ）、學術（shù）界和企業（yè）界（jiè）的資源，構建國家製（zhì）造業創新網絡，以“確保新一輪產業革命發生在美國”。這些（xiē）舉措不僅（jǐn）有利於促進美國製造（zào）業的複興，也有助於鞏固和（hé）加強美國製造業強（qiáng）國的地位。
2012年3月（yuè），奧巴馬政府出台了與企業（yè）、大學、社區共（gòng）同（tóng）建（jiàn）立國家製造業創新網絡（National Network for Manufacturing Innovation，NNMI）的（de）倡議，提出由聯邦政府出資（zī）10億美元，在10年內創建15個製造業創新研究所（Institute for Manufacturing Innovation，IMI）。2013年根（gēn）據形勢發展，奧巴馬政府又（yòu）提出了10年內創建45個製造業創新研究所、組成國家（jiā）製造業創新網絡、布局未來製造業創新增長點的倡議。
作為重振美國製（zhì）造業戰略的一部分，美國自2012年8月成立第一家製造業創新研究所（suǒ）――增材製造業（yè）創（chuàng）新研究所（suǒ）（現已更名為美國製造，America Makes）以（yǐ）來，截至（zhì）2015年12月底，已建成和正在籌建的“製造業創新研究所”共有9家，其中7家已建成，2家籌建中（見表1）。
表1 美國（guó）已公布的9家“製造業創新研究所（suǒ）”
資料來源：http://www.manufacturing.gov/，上海科學技術情報（bào）研究所整（zhěng）理
美國製造（America Makes）的前身是2012年8月在俄亥俄州揚斯頓（dùn）設立增材製造業創新研究所（The National Additive Manufacturing Innovation Institute，NAMII)，著重研（yán）發和推廣3D打印技術等。其中，美國國防部、能源部、商務部、國家科學（xué）基金和國家航空航天署等5家（jiā）政府（fǔ）部門承諾共同出資4500萬美元，首筆資金為3000萬美元；由俄（é）亥俄州、賓夕法尼亞州和西（xī）弗吉尼亞（yà）州的企業、學校和非營利性組織組（zǔ）成的聯合團體出資4500萬美元。
這是奧巴馬政府提（tí）議在全國建立的15個製造業創新研究（jiū）所（suǒ）中的第一個。已包含超過85家公司（主要（yào）包括全球（qiú）知名特種金屬生產商阿勒（lè）格尼技術公司，美國應用係統和技術轉移公（gōng）司，全球知名設計軟（ruǎn）件公司（sī）Autodesk，全球知名的3D打印公（gōng）司 ExOne公司、Sciaky公司（sī）及Stratasys公司，波（bō）音公司（sī），FMW複合材料（liào），通用動力，通用電氣，霍尼韋爾，IBM，江（jiāng）森自控，洛克希德·馬丁公司，諾斯羅普·格魯曼公司，派拉蒙工業/ 3D係統，鐵姆肯公司，西屋核電，全球知名照明產品製（zhì）造商歐司朗）、13個研究型大學（主要包括卡（kǎ）內基（jī）—梅隆大學，凱斯（sī）西儲大學（xué），肯特州立大學，利哈伊大（dà）學，賓（bīn）夕法（fǎ）尼亞州（zhōu）立大學，羅伯（bó）特莫裏斯（sī）大學，阿克倫大學，匹茲堡大學，揚斯敦州立大學等）、9個社區學院（如東捷威社區（qū）學院，羅雷恩縣社區學院，北（běi）安普頓社區大學，賓夕（xī）法尼亞大學技術學院，威斯特摩（mó）蘭縣社區大（dà）學等（děng））以及18個非營利機構。隨著增材（cái）製（zhì）造業創新研究所的建成，揚斯（sī）頓有望成為美國未來3D打印產（chǎn）業（yè）的中心。據（jù）不完全統計，該製造研究所進行（háng）的研（yán）究項目已超過了20個。
2、電力（lì）美國
電（diàn）力美（měi）國（Power America）的前身是2014年1月在北卡羅來納（nà）州羅利建立新一代電力電子製（zhì）造業創新研究所（The Next Generation Power Electronic Manufacturing Innovation Institute），旨在打（dǎ）造更加智能化、可靠安全、低成本且節能環保的21世紀電力網絡。由美國能源部牽頭並承諾5年出（chū）資（zī）7000萬美元（yuán），參與者（zhě）包括25家企業和大學及其（qí）他（tā）非政（zhèng）府組（zǔ）織等，這些參與者將提（tí）供7000萬美元的配套資金。
電力美國的主要成員包括18家企業，7家大（dà）學和實驗室。其中，企業包括一些世界領先的寬禁帶（wide bandgap，WBG）半導體製造商，世界領先的材料製造商，重要的最終用戶（如約翰·迪爾公司、德爾福汽車公司等）。18家企業主要包括：ABB公司、阿肯色（Arkansas）電力電子國際公司、Avogy公司、Cree公（gōng）司、約翰（hàn）·迪爾公司（Deere & Company）、德爾福（fú）（Delphi）汽車公（gōng）司、台達（Delta）產品公司（全球知名的電源管理產品生產商）、DfR Solutions公司（電子（zǐ）行業質量、可靠性與耐用性解決方（fāng）案供應商）、GridBridge公司、黑森機電（Hesse Mechatronics）有限公司、貳陸（‖-Ⅵ）公司（全球知名的光學元件和材料生產商）、IQE公司（矽片供應商）、Monolith半導體公司、RF微器件公司（高性能射頻組件以及複合半（bàn）導體技術設計和製（zhì）造領域的全（quán）球領導者）、東芝（zhī）國際公司（sī）、Transphorm公（gōng）司、United Si Carbide公司、Vacon集團（全球領先的變頻驅動及逆變器產品製造商）。7家（jiā）大（dà）學（xué）和實驗室主要包括：北卡羅來納州立大學、亞利桑那州立大學（xué）、佛羅裏達州立大學、美國國（guó）家可（kě）再生能源實驗室（NREL）、加州大學聖巴巴拉（lā）分校、美國海軍研究實驗室、弗吉尼亞理工學院和州立大學（xué）。
電力美國將為企業提供貫穿（chuān）電力電子供應鏈的共用設施、設備、測試和建（jiàn）模服（fú）務，特別是為小型和中型製造業企業，以幫助它們發明、設計和製造新的半導體芯片和器件。該機構還將為芯片設計和製造（zào）商與大型電（diàn）力電子製造商（shāng）和供應商提供（gòng）市場供需配對（如約翰·迪爾公司和德（dé）爾福（fú）汽車公（gōng）司），加快這些技術推向市場的速度，並向美國勞動者提供（gòng）培訓（xùn）、高等（děng）教育課程和（hé）實習機會，以滿足寬禁帶半導體（tǐ）產業發展需求，保持美國在該產業領域的全球競爭力。新一代電（diàn）力電子製造業創新研究所主（zhǔ）要聚焦於發展寬禁帶（WBG）半導體電力電子技術。在20世紀，矽半導體電力電子，通（tōng）過控製或將電能轉換成可用的電力，深刻（kè）改（gǎi）變了計算、通（tōng）信和能源行業，給（gěi）消費者和企業帶來了越來越強大的筆記本電腦、手機和電動機。今天（tiān），寬禁帶（WBG）半導體為電力電子產業的發（fā）展提（tí）供了（le）使用更少的電力、實現前所未有性能的新機遇。寬禁帶（WBG）半導體，如碳化矽和氮化镓可以在較高的溫度下工作，並（bìng）具有更高的耐用性和可靠性（xìng）更高的電壓和（hé）頻率。有了這項新技（jì）術，可以把筆記本電腦電源適配器的體積縮小1/5，同時提供更好的性能並降低能耗20%左右。一個典型的筆記本電腦，牆壁插座上輸出功率的1/4被（bèi）以餘熱形式散失掉，而寬禁帶（WBG）半（bàn）導體可以把這（zhè）些電源轉換損失（shī）減少（shǎo）90%。寬禁帶（WBG）半導體（tǐ）也將（jiāng）改變插（chā）電式電動汽車產業發展，使消費者可以更容易、更便宜的擁有和駕駛電動汽車。如，寬禁帶半導（dǎo）體可（kě）以把車輛冷卻係統的大小減少約60%，並把直流快速充電站縮小（xiǎo）到與廚房用微波爐一樣（yàng）大小。此外，寬禁（jìn）帶（WBG）半導體將有助於克服一係列發電、輸電、配電和最終使用的挑戰，以建設一個更智能、更可（kě）靠、更具彈性的21世紀電（diàn）網。
3、數字製造和設計技術（shù）創新研究所
2014年2月（yuè），在伊利諾伊州芝加哥（gē）建立數字製造和設計創新研究所（The Digital Manufacturing and Design Innovation Institute， DMDII），旨（zhǐ）在進行數字化設計（jì）、工程和製造等過程的技（jì）術（shù）和流程研發與應用。DMDII由美國國防部長辦（bàn）公（gōng）室（Office of the Secretary of Defense，簡稱（chēng）OSD）監管，國防部現場活動機構（DoD Field Activities）協助管理。商務部等將提供7000萬美元基金，該（gāi）研究所將（jiāng）通過融資等方式獲得2.5億美元，使整個研究所資金規模達到3.2億美元。參（cān）與單位包括70多家全美頂（dǐng）尖製造商和軟件設計商、23家大學或社區學院及（jí）9個非營利組織。
數（shù）字化製造和設計創新研究所的目標（biāo）是建立一個國家機（jī）構，專注於美國製造業領域的一些複雜問題，並（bìng）製定（dìng）相關（guān）解決方案，以抵消美國製造業企業（yè）采用這些新技術（shù）的風險，從而提高競爭（zhēng）力。由於（yú）全球競爭力是由哪些產品以極（jí）具競爭力的價格進入市場而驅動的，因此，DMDII的工作重點將是（shì）在製（zhì）造業企業範圍內（nèi）利用“數字線程”，高度（dù）集成製造和設計複雜（zá）的產品，以降低生產成本和時間。減少時間和成本將產品推向市場的能力，是一種政府和行業常見的共（gòng）同需要（yào）。此外，政府和行業還需要一種方法來（lái）降低采用新技術（shù）的風險。DMDII提供了（le）一個“示範工廠”（Demonstration Facility），該工廠集合了美國利用智能機器（qì）開展生產實踐的下（xià）一代示範企業（NexGen公司）。NexGen公司通過在工廠車間（jiān）使用敏捷、靈活和可（kě）重（chóng）構操作，開（kāi）發先進適（shì）用（yòng）產品。在整合信息技術、智能工（gōng）廠（chǎng）流程（如（rú）計算機（jī）模擬，先（xiān）進材料的（de）使（shǐ）用）和複雜的分析等方麵，DMDII可能是一個關鍵的差異化競爭優勢。DMDII的（de）構想是美國數字化製（zhì）造和設計的創新引擎，以及NexGen示範企業產品設計、製造的“測試床”（Test-Bed）。DMDI聚焦的四（sì）個核心技術領域包括（kuò）：先進製造企業（Advanced Manufacturing Enterprise）、智能機器（Intelligent Machines）、先進分析（Advanced Analysis）以及網（wǎng）絡物理安全（Cyber-Physical Security）。
4、明日輕質創新研究所
明日質創新研（yán）究所（Lightweight Innovations For Tomorrow，LIFT）的前身是2014年2月在密歇（xiē）根州底特（tè）律（lǜ）建立輕型現代金屬製造業創新研究所（The Light weight and Modern Metals Manufacturing Innovation Institute，LM3I），輕型金（jīn）屬將主要用於軍民兩用汽車、機器設備、船舶、飛機製造（zào）。國防部主導並承諾出資7000萬美元基金，非聯（lián）邦的配套資金將為7800萬美元，研究所資金規模將（jiāng）達1.48億美元（yuán），參（cān）與（yǔ）研發並出資（zī）的非聯邦政府單（dān）位包（bāo）括34家大公司、9家大學和17個非營利組織。
LIFT將重點（diǎn）聚焦商業和國防應用中輕質部件和結構的集成設計和（hé）製（zhì）造。通過試生產（chǎn）和實（shí）驗測試，驗證這些設（shè）計。LIFT學院將在四個領域與產業界、學術界和政府開展合作：現（xiàn）有或創新的輕質合金材料（liào）生產規模的迅速成（chéng）熟和（hé）展示；縮短設（shè）計製造新穎、價格實惠的金屬（shǔ）所需時間，包括輕質合金材（cái）料（如金屬泡（pào）沫、蜂窩結構等）和第三代鋼產品（pǐn）等；發展更實（shí）惠的、更具競爭力的自動化製造流程（chéng）；有（yǒu）效利用集成計（jì）算（suàn）材料工程（Integrated Computational Materials Engineering，ICME）的基礎設施，提升材料設計和製造員工的工具、技能和（hé）知識基礎。
LIFT所關注的核（hé）心材（cái）料和製造技術領域主要（yào）是：新式（shì）合金（如鋁及（jí）鎂基合金等）；初級金屬製造（zào）工藝；輔助生產過程；輕（qīng）金屬產品的開發利用（yòng）。創建LIFT，長期的目（mù）標是創造輕量化產品的市場擴（kuò）張和新的消費者，伴隨著汽（qì）車、航空航天（tiān）、能源、國防和休閑設備等行業的發展，通過成熟和規模化（huà）的現代（dài）金（jīn）屬產業發展，使美國在全球保持（chí）產（chǎn）業競爭力（lì），並成為國（guó）家安全（quán）和技術的領導者。
2015年1月（yuè），在田納西州諾克斯維爾建（jiàn）立先進（jìn）複合材料製造創新研究所（suǒ）（The Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation, IACMI），該研究所由能（néng）源部主導，122家企業、非營利組織、大學和研究實驗室合（hé）作，總投資額（é）為2.5億美元，其中能源部出資7000萬美元，由企業、大學、實（shí）驗室和非盈利組織組成的聯合團體（tǐ）將提供至少1.8億美元的配套基金。
先進複合材料製造創新研究所將致力於先進（jìn）複（fù）合材料（如（rú）碳纖維）的（de）前沿研究，擴大其在輕量汽車（chē）、風力發電機葉片、天然氣汽車高壓罐和輕量（liàng）、高效工業設備領域的應用（yòng）。此外，還將製定先進複合材料的低成本、高速、高效製造及回收的具體流程，使其製造成本下降50%，能耗降低75%，未（wèi）來10年循環率提高到95%以上。該研究所（suǒ）的成員有57家企業，15所（suǒ）大學及實驗室，14家機構，36家財團成員。
2015年7月美國第六家製造業創（chuàng）新研究所——集成（chéng）光（guāng）子製造（zào）業創新研究所（The American Institute for Manufacturing Integrated Photonics，AIM Photonics）在紐（niǔ）約州羅切（qiē）斯特正式（shì）成立。該研究所由美國紐約州立大學研究（jiū）基金會負責管理，總投資為6.1億美元，其中1.1億美元為聯邦資金，其（qí）餘5億美元為私營投資（zī），為目前製（zhì）造業研究所中公私合營規模最大的項目。該研究所由國防部主導，始創成員有124家企（qǐ）業以（yǐ）及紐約州立大學研究基金（jīn）會領導的非營利機構和大學（其中：企（qǐ）業55家；大（dà）學和實驗室20家；社區學院33家；非盈利機構16家）。
集成（chéng）光子製造業創（chuàng）新研究所聚集的創新製（zhì）造技術主要有：（1）網絡（luò）和電信信號超高速傳輸；（2）新高性能信息加工係統和計算；（3）緊湊傳感器的應用（yòng），以實現醫療診斷（duàn）和治療的巨大進步；（4）多傳感器應（yīng）用，如城市導航、自由（yóu）空間光通信和（hé）量子信息科學；（5）其他多樣化軍（jun1）事（shì）應用，如電子戰、射頻模擬傳（chuán）感、通信和醫（yī）療/生物檢測。所（suǒ）有研發活動都需要（yào）設計、製造、包裝、可（kě）靠性和測試等（děng）領域的交叉。該研究（jiū）所將整合美國政府、產業和科研領域的力量，改變國內集成（chéng）光子技術能力（lì）分散局麵（miàn），提高美國國際競爭力，促進大學和中小企業參與（yǔ）集成光子研發（fā）和技術變革。
2015年8月，美國第七家製造業創新研究所——柔（róu）性混合型電子製造創新研究所（Flexible Hybrid Electronics Manufacturing Innovation Institute，FHE-MII）在矽穀（gǔ）成立。該研究所由國防部主導，總投（tóu）資額為1.71億美元（yuán），其中7500萬美元（yuán）來自於聯邦資金（jīn），9600萬美元為非聯邦（bāng）資金（jīn）；柔性技術聯盟（FlexTech Alliance）將領導由96家公司（sī）、41所大學、14個（gè）州和地方政府組織（zhī）、11家實驗室及非營利性機構組成的集團，確保（bǎo）美國在下一代可彎曲、可穿戴電子器（qì）件製造業中居於領導地位。該集團聯合了美（měi）國（guó）主要的電子及（jí）半導體公司（sī）（如：應用材（cái）料公司、蘋果公司（sī）、聯合技術公司等）、可將相關電子器件嵌入從醫療設備到超音速飛機（jī）等（děng）各種平台的終（zhōng）端用戶公司（如：波音公司、通用汽車公司等），以及斯坦福大學、哈佛大學、麻省理工大學等前（qián）沿研究（jiū）機構（gòu）。新研（yán）究所將重點關注柔（róu）性混合電子製造業方麵的前沿研究，利用高性能的裝配和打印（yìn）技術（shù），在可延展或可穿戴的平台上集成各種矽電路和傳感器。
柔（róu）性混合電子技術的主要應用包括：①通過可穿戴的電子信息裝置，監控生命體征和身體狀態，以優化保健和生活方式（shì）方麵的決（jué）策；②通過生物標誌和（hé）植入裝置（zhì），大幅改善醫療技術的交付，監控慢性病患者及作戰士兵的生命體征；③通過嵌入式傳感器，監控惡（è）劣環境下運行的汽車、飛機的狀態；④通過在各種陸（lù）基（jī）、海基、空基、天基係統上應用輕質機器人及下一代成像和傳感器能（néng）力，提升軍事行動的安（ān）全性；⑤通過與飛機（jī）及其他載（zǎi）具平（píng）台外形貼合的電子設備，或者（zhě）將電（diàn）子設備集成到衣服和織物中，大幅減小電（diàn）子係（xì）統（tǒng）模塊的尺寸（cùn）和重（chóng）量。
2015年9月，美國（guó）能源部宣布（bù）投資7000萬美元，成立智能製造（zào）的清潔能源製造創（chuàng）新研究所（suǒ）（Clean Energy Manufacturing Innovation Institution Smart Manufacturing），重點關（guān）注智能製造。智（zhì）能製造（zào）是提高製造業能效的核心信息技術，采用智能通信係統（tǒng）後，從石油天然氣到航空航天以及食品生產將更（gèng）具競爭力，實現實時節能，提高能源生（shēng）產（chǎn）力。能源密（mì）集型行業，如鋼鐵，生產成本可以降低（dī）10%～20%。美（měi）國能源部將資（zī）助可將技術成本降低50%的研發（fā），如高（gāo）級傳感器、控製器、改進的（de）實時數據分（fèn）析和控製係統、開放軟件和通（tōng）信平台的開（kāi）發和（hé）規範化、高仿真建模製造等，將這（zhè）些（xiē）技術應（yīng）用到製造流程中，可以使（shǐ）能效提高15%，能（néng）源生產力提高50%。
在奧巴馬總（zǒng）統的國家製造業創（chuàng）新研究所網絡計劃下（xià），該研究所是美國能（néng）源部資助的第三家，此前兩家分別關注新一代電力電子和先進複合材料。每（měi）家研究所都采取公私夥伴模式，作為區域集（jí）群，縮小應用研究與產品生產之間的距離，為聯邦機構、企業、大學和其他學術及培訓機構提供在核心領域共同投資的平（píng）台。
2015年3月，美國國防部承諾出資7500萬（wàn）美元建立（lì）“革命（mìng）性纖維和紡（fǎng）織品（pǐn）創新製造研究所”（Revolutionary Fibers and Textiles Institute for Manufacturing Innovation，RFT－IMI）。主要廠商、大學和（hé）非營利機構組成（chéng）的實體將形成革命性的纖維和紡織品的技術新製造中心，以至少1∶1的成本份額從企業、公（gōng）共和私人投資基金帶來了超過（guò）1.5億美元。革命性纖維和紡織品創新製造研究所將確保（bǎo）美國在光纖科技（jì）、商業化的纖維和紡織（zhī）品等新產品的前沿創新（xīn）技（jì）術製造鏈中具有非（fēi）凡的性能。被稱為技（jì）術紡（fǎng）織品的這些現代麵料和纖維具（jù）有輕（qīng）、防火及堅韌等（děng）新穎特性，應用廣泛，特別是用於製作消防衣、軍用品等（děng）。
另據美（měi）國白宮2015年10月發布的美國創新戰略（A STRATEGY FOR AMERICAN INNOVATION），2015年美國財政已（yǐ）投入6.5億支持9家製（zhì）造業創新研究所（suǒ）建設，2016年將投資3.5億（yì）美元支持另外7家新的製造業創新研究所建設，這樣在美國奧（ào）巴馬政府任期結束的（de）2016年底將實現建立15個製造業創新研究所的目標。奧巴馬同時呼籲國會通過19億美元（yuán）的承（chéng）諾（nuò），支持另外29家製造業創新研究所的建立，實現在10年內建立一個由45家製（zhì）造（zào）業創新研究所構成的完整的國（guó）家製造業創新網絡（NNMI）的目標。
主要參（cān）考文獻：
1.The white house. A Strategy for American Innovation[R]. October 2015.
2. DfR Solutions. Next Generation Power Electronics National Manufacturing Innovation Institute[R]. www.dfrsolutions.com
3. DOE.DOE announces $70M for Innovation Institute on Smart Manufacturing; advanced sensors, controls, platforms, and modeling for manufacturing[R]. 18 September 2015.
4. 董瑞青（qīng）. 美國國家製造業（yè）創新學院（四）——下一代（dài）電力電子製造創新學（xué）院.上海行業情報服務（wù）網.
5. http://www.manufacturing.gov/
