新一代智能制造最本質的特征是其信息系統(tǒng)增加了認知和學習的功能,傳感器是信息技術的支柱,是實現(xiàn)信息和現(xiàn)實之間交流的方式,體現(xiàn)了信息技術發(fā)展的重要方向。微系統(tǒng)可以應用在五大領域:物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療與健康監(jiān)護、智能手機、汽車行業(yè)、機器人行業(yè),這些技術在我國產(chǎn)業(yè)化估計還需3-5年時間。
制造業(yè)在我國發(fā)展非常迅速,我國是全球制造業(yè)行業(yè)最完整的國家。國家對制造業(yè)也非常重視,制造業(yè)是立國之本,興國之器,強國之基。我國的制造業(yè)有幾大特點,一是有巨大市場;二是門類齊全,有獨特的體系;三是數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的進程和國際同步啟動,未來下一步的工業(yè)革命核心技術,也和國際的新興技術處于同一個起跑線。
智能制造
中國的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展,取得了歷史性的成果,但是對以下幾點我們要有清醒的認識:第一,自主創(chuàng)新能力不強、基礎薄弱,比如說芯片80%以上依賴進口,2018年用匯3213億美元,超過石油。第二,產(chǎn)業(yè)整體處于價值鏈中低端。第三,經(jīng)營效率不高,勞動生產(chǎn)率不高。當然,還有產(chǎn)業(yè)結構的問題、質量的問題等。
以集成電路為例,我國還沒有一家集成電路企業(yè)進入世界前30強,沒有大的產(chǎn)業(yè)來支撐需求。另外,我國集成電路各品種占比非常小,都是5%以下,應用種類高端部分的芯片占有率很低,只是在通信領域里占比稍高,計算機、通用電子領域占比都是0-5%。
實施制造強國戰(zhàn)略,有兩點非常重要,一是工業(yè)強基,要有堅實的基礎。二是中國的制造業(yè)要從并跑走到領跑的階段。我們的高端領域是什么呢?就是智能制造,要用更高的技術追求來改造現(xiàn)有企業(yè)的發(fā)展,智能制造是新一輪工業(yè)革命的核心驅動力,也是真正意義上的工業(yè)4.0,第四次工業(yè)革命。
傳統(tǒng)制造業(yè)其實是解決人力不足的問題,到了數(shù)字化、數(shù)控時代,機器可以按照人的設定來進行工作,有了信息系統(tǒng)。到了智能化時代,機器按照人設定的目標,自己完成整個加工行為。這里很重要的一環(huán)是要有足夠的信息,通過認知和學習,產(chǎn)生思維,同時通過傳感器對產(chǎn)生的動作進行檢測,是否達到了最后目標的要求。在未來的智能制造里,傳感器和信息的獲取、信息的處理,是同等重要的。
傳感器是信息技術的支柱,也是實現(xiàn)信息和現(xiàn)實之間交流的方式,體現(xiàn)了信息技術發(fā)展的重要方向。集成電路的發(fā)展有兩個重要分支,一是傳統(tǒng)的垂直方向,就是線寬,而且投資巨大,基本上是上千億的動作。另外一個方向是現(xiàn)在正在做的,未來的超越摩爾的方向,不追求速度最快,也不追求存儲容量最大,追求系統(tǒng)功能最強。好像是全能冠軍,把傳感器、執(zhí)行器、處理器加軟件一起做,以解決問題作為導向來做集成電路,這是國際目前主要的發(fā)展方向。
智能微系統(tǒng)
微系統(tǒng)的五大要素是微電子、光電子、MEMS、算法、架構。智能微系統(tǒng)能夠做什么事呢?2018年,美國一位教授做了世界上最小的無人機叫“殺人蜂”,技術總結有三大特點,第一是小,在那么小一個地方可以實現(xiàn)飛行、攻擊作用;第二是智能化,人去抓它的時候可以自動躲避;第三是可以自動瞄準和攻擊,帶10克的炸藥,通過人臉識別,可以把目標炸死。這里有兩項技術是比較特殊的,第一項是微機電系統(tǒng),也就是微系統(tǒng)技術,把機件結構做到芯片里去。
MEMS和微系統(tǒng)最大的特征是結構,這個結構不是由零件來組裝的,它的可靠性非常強。從1996年開始,美國構筑了這個技術的十大應用,現(xiàn)在十大應用的科研任務在我國都已經(jīng)完成了,還在產(chǎn)業(yè)化過程中。
國際上對微系統(tǒng)進行了細分,從各種各樣的行業(yè)應用,到它們的系統(tǒng)集成,不一而足。全球都把微系統(tǒng)作為集成電路發(fā)展的重要方向,美國也提出了“雙百”計劃:體積縮小100倍,功能提高100倍。全世界最小的導彈可以放在槍上發(fā)射,殺傷半徑10米以內(nèi)。更可怕的是,以后子彈也可以制導,不用瞄準,子彈自動到目標那里去了。這些都是由于傳感器做小后的結果。
在工業(yè)應用中,航空發(fā)動機和燃氣輪機的溫度、工況測不出來,它的溫度800度以上,壓力超過300個標準大氣壓,所以測量都是把機器放在外面,通過外面來估計里面的情況。美國現(xiàn)在可以把傳感器做進機器,很好地控制發(fā)動機的工況。據(jù)MEMS的首席專家介紹,通過工況控制可以提高燃氣能機的效率5%到8%。
總結技術的五大應用,第一是物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)三大技術:信息傳感采集微系統(tǒng)技術、網(wǎng)絡構建技術、服務管理技術,以及物聯(lián)網(wǎng)的幾大應用,包括停車場的管理、工廠的管理,環(huán)境的監(jiān)測、醫(yī)療的進步,都是基于傳感器的,信息、圖像不能只靠輸入的信息,而是更多依賴傳感器。
第二大應用是醫(yī)療。醫(yī)療器械從臺式到便攜式,下一步就是穿戴式的和植入式的。便攜式的已經(jīng)用到了微系統(tǒng),穿戴式的和植入式的一定要用到微系統(tǒng),沒有微系統(tǒng)不行,2018年有45億美元的市場。最典型的是糖尿病治療儀,裝在身上就可以自動平衡胰島素,還有對眼睛的測量,把眼壓傳感器裝在博士倫眼鏡上,戴著眼鏡一天的眼壓就記錄下來了。還可以在腦子里植入一個芯片,控制動作,這個領域已經(jīng)取得了很大的進步。
第三大應用是智能手機。之所以蘋果能打敗諾基亞和愛立信,是由于它的智能化,而智能化是基于傳感器的。蘋果3代用了8個傳感器,這8個MEMS器件占了手機利潤的30%左右。到了蘋果5代以后,一共有60多個傳感器,實際上大部分的利潤空間都被傳感器替代了。手機的傳感器越來越多,智能化水平越來越高,造就了這個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。最典型的是麥克風的市場,MEMS麥克風出來以后,95%的市場被其替代。
第四大應用是汽車。汽車里有200多個傳感器,其中80%可以用MEMS來做,特別是網(wǎng)聯(lián)汽車、智能汽車,又產(chǎn)生了一批新的傳感器,比如激光雷達,各種各樣防碰撞的、防疲勞的系統(tǒng),如果不用MEMS做,那么傳感器的價格和車的價格比例會達到50%以上。激光雷達的價格約為7萬-8萬元,用MEMS傳感器價格僅1000元左右,MEMS支撐了汽車工業(yè)的產(chǎn)業(yè)化。
最后一大應用是機器人。機器人之所以能夠運轉,是因為它的傳感器非常小,傳統(tǒng)的傳感器不可用。這個行業(yè)進口偏多,2018年該行業(yè)有30億美元的市場。
這些就是微系統(tǒng)技術的五大驅動力。我們從1995年開始跟蹤上述技術,從技術角度看,我國和美國處于相當?shù)乃剑谖覈a(chǎn)業(yè)化估計差3年到5年的時間。
本文根據(jù)尤政院士在國家制造強國建設專家論壇(寧波)上的主題演講速記稿整理而成。