美国制造业共性技术未来15年愿景
5月31日，上海发布了《关于创新驱动发展巩固提升实体经济能级的若干意见》，明确提出未来五年战略性新兴产业的发展目标，增加值占全市生产总值20%以上，产值占全市工业总产值35%左右。这是一个很艰巨的任务。机器人和自动化是战略性新兴产业的基础，了解未来5年、10年、15年机器人及其工业制造相关的愿景，对我们支持战略性新兴产业发展或许有启发。
上海发布《关于创新驱动发展巩固提升实体经济能级的若干意见》，明确提出：未来五年，战略性新兴产业增加值占全市生产总值比重达到20%以上，战略性新兴产业制造业产值占全市工业总产值比重达到35%左右。目前，上海这两项指标分别为15.2%和26.7%。这意味着在未来五年，这两个数据分别要提升近5个和9个百分点。
这并不是一个简单的任务，要下很大功夫。“高端化”成为上海“制造业回归”语境中的主要思路。上海必须突出创新，必须在制造业中突出先进制造业。机器人是战略性新兴产业的重点发展方向，是衡量一个地区制造业水平和核心竞争力的重要标志。了解未来5年、10年、15年机器人及其工业制造相关的愿景，对我们支持战略性新兴产业发展或许有启发。
一
美国出台《机器人路线图2016》的背景
美国一直认为，工业化是上个世纪经济发展的基础，工业化的核心就是制造。制造业占美国GDP的12%，雇佣人数占国家就业人员的9%（世界银行2016年、美国劳工部劳工统计局2015年数据）。美国的净出口额有70%是与制造相关的，所以制造业对于美国整体经济的健康发展有着至关重要的作用。制造业中，机器人产业估值约有80亿美元，并且以每年9%的增长率稳定发展。核心机器人产业的发展得到了制造业的支撑，为其提供仪器设备、辅助自动化设备，以及系统集成，这样加起来，整个产业可达300亿美元。所以，美国是很重视包括机器人在内的制造业发展的。
但与此同时，由于中国、欧盟、韩国、日本都在大力发展自动化和机器人技术，让美国也感受到了压力。加之有预测显示，到2050年美国劳动力人口与退休人员的比例将达到2:1，需要机器人来弥补劳动力的短缺。
美国商业部与竞争力委员会对众多企业的综合年增长率进行调研后发现，目前制造业的最大增长点在物流（包括材料处理）和机器人（表1）。考虑到普遍意义上制造业对美国的重要性，有必要认真考虑如何利用机器人技术来保持美国制造业的强大。
表1 美国制造业增长率估计
数据来源：2006-2016年间280家美国企业的综合年增长率统计
因此，2016年在国家科学基金会(NSF)和计算机社区联盟（CCC）的主持下，美国发布了《2016年美国机器人路线图》，为未来5、10、15年机器人及自动化技术的阶段目标和技术重点提供参考。
二
自动化及机器人产业共性技术重点及阶段目标
（一）可调整、可重新配置的组装线
现在，一个新产品从概念设计到组装线上做出成品所耗费的时间太长。比如一辆新车，需要24个月。这里的关键能力就是有一套组装线的子系统可以快速响应新产品生产需求，我们有能力调整这些子系统，重新配置生产模块进行生产。在未来15年中，可调整、可重新配置的组装线有以下几个阶段目标：
5年内：在24小时内使用一个工业机器人手臂、各种工具和辅助材料处理器件来为新产品建立、配置基本的组装线，并为其运行编程；
10年内：时间缩短为8小时；
15年内：时间缩短为1小时。
（二）自动导航
自动导航属于一项基础能力，会影响到很多方面。要在有各种障碍物、由人驾驶的车辆、行人和动物的非结构性环境中实现安全的自动导航需要大笔的投入来开发各种技术。自动导航发展路线有以下几个里程碑：
5年内：无人驾驶车辆可以在任何有良好照明和标线马路的现代化城镇行驶，并证明至少和人类驾驶同等安全。在完成一些特定任务时，无人驾驶车辆还优于人类驾驶车辆，比如穿越工业矿区或建筑工地、往返装卸码头、平行泊车、紧急刹车和停车等。
10年内：无人驾驶车辆可以在任何城市的道路，哪怕是未辅平的马路上行驶，还有些像人类一样的越野驾驶能力，其安全性等同于人类驾驶的平均水平。这些车辆还可有能力处理一些突发的情况（如其它车辆损坏或故障了，这些车辆可以牵引故障车辆）。如果传感器发生了故障，这些车辆也能保持安全的状态。
15年内：无人驾驶车辆可以在任何人类能够驾驶的环境中行驶。我们将无法区分无人驾驶车辆与人类驾驶车辆，而相比于驾龄在1年以内的人类驾驶员，机器驾驶员更安全，更可预测。无人驾驶车辆还可以自行学习在之前没碰到过的场景中如何驾驶（如极端天气、传感器退化等）。
（三）绿色制造
绿色制造的路线图着重点在整个制造流程——从矿产开采到生产过程中的原材料加工，到成品的分销，再到产品材料的回收，所有部件和子系统的再循环。每一步的改变都需要开发新的制造技术，产品的设计也需要符合这个目标。比如，利用3D打印技术可以大幅减少机器生产边角料的浪费。此外，还应该特别关注制造基础设施的再利用、原材料的回收循环利用、在每一步骤执行尽可能低的能耗和功率要求，以及为新产品的生产而调整子系统。
5年内：制造流程中循环利用10%的原材料，50%的设备可以再利用，同样的生产流程能耗相当于2010年的90%。
10年内：制造流程中循环利用25%的原材料，75%的设备可以再利用，能耗相当于2010年的50%。
15年内：制造流程中循环利用75%的原材料，90%的设备可以再利用，能耗相当于2010年的10%。
（四）类人的灵巧操作
机器人手臂和手最终会超过人类。其实它们在速度和力量上已经超过人类了，但人类的手在完成需要灵敏操作的任务时仍无可替代。主要原因在于一些关键技术的研发滞后，特别是认知、高精度传感、计划与控制等。
5年内：低复杂度，几个关节独立，能够进行用整手抓取的动作。
10年内：中复杂度，十几个关节独立，新的机制和执行器能够进行用整手抓取的动作和有限的灵巧操作。
15年内：高复杂度，陈列式触觉系统灵敏度接近人类，动作性能高，能够整手抓取，并且在能制造环境中像人类一样灵巧操作物件。
（五）基于模型的供应链集成与设计
近期在计算和信息科学方面的进展让科研人员可能“将图灵机应用于制造”。如果实现，那么在计算机和数据库的辅助下，部件与子系统可以互相作用，完成的产品质量更高、更可靠，成本更低、交付更快。
5年内：分离式部件制造与组装流程的安全性，以及可以检验是否正确的设计，保证了制造设备建设时不会发生任何失误；
10年内：跨多个时段与尺度的制造供应链的安全性，以及可以检验是否正确的设计，保证了制造供应链设计时不会发生任何失误；
15年内：随着纳米技术的发展，以及新的制备工艺的出现，将能够为任何产品生产线提供安全并可以检验是否正确的设计。
（六）纳米制造
我们正经历着非硅微系统技术的发展，利用自然界的合成技巧制造结构的新方法不断涌现。MEMS、低功率VLSI和纳米技术的进展已催生了亚微米级的自供动力的机器人。用新的平行式，甚至是随机式的组装技术低成本生产方式也呼之欲出。许多传统的制造模式会被新的、现在还想像不到的纳米制造模式取代。
5年内：通过自组装和捕获生物能实现大规模使用生物材料进行生产制造的新方法及相关技术；
10年内：后CMOS时代的制造业变革孕育了新一代的分子电子产品和有机计算机；
15年内：纳米机器人可以传递药物，进行诊疗。
（七）人机共事（也叫机器人大众化）
机器人是否在本质上安全？一直以来都是困扰机器人应用的伦理问题。汽车在马车时代是危险的，但现在，汽车在高速公路上以120公里/小时行驶，人们也觉得很平常。这不是因为汽车本质上是安全的，而是因为我们已经学会了接受风险。所以，机器人也需要开发一个类似的风险/责任模式。我们必须以安全为基础，但要继续鼓励开发为满足将来制造业所需的人机共事模式。随着机器人的民主化，整个社会将从逐渐接受人与机器共事的工作场景，扩大到成为一种文化。这些都只能随着机器人的使用范围慢慢扩大而逐步发生。自然语言编程、控制研究和材料技术的进步是加快进程的一些潜在手段。
5年内：经过简单编程，安全级别可调的软轴广泛安装在工厂里，监控固定或移动装配机器人。
10年内：在工作中智能系统自动检测并正确回应符合/不符合规范的人类行为，同时保持一致的工作表现。
15年内：在非结构化的环境，即建筑工地或新配置的制造单元中，系统能够识别、合作并根据人类或其他机器人的行为进行调整。
作者简介
吴红敏，上海产业技术研究院外事主管
刘小玲，上海科学院规划研究处副研究员