2018年智能制造与新材料前沿科技趋势展望

本文以智能制造、新材料和信息三大领域为例，深入浅出的探讨了2017年以来世界前沿科技的发展脉络，并对2018年可能的走势进行了预测。

-智能制造领域-

2017年态势总结

多国推出新举措，推动先进制造发展

美国成立白宫贸易和制造业政策办公室，以维护美国工人和国内制造商利益促进经济增长并增强美国制造业等。英国公布“ Modern Industrial Strategy(现代工业策略)”，加大科技、研发方面投资力度，以复兴工业生产。日本经济产业省发布《2017财年制造业白皮书》，详述应对第四次工业革命的策略以及日本制造业改革的方向，以提升日本先进制造竞争力。

人工智能技术呈爆发式发展

2017年成为全球人工智能商业化、产品化运用的拐点。人工智能技术催生出自动驾驶汽车、智能医疗以及智能芯片等应用。英伟达发布全球首款人工智能自动驾驶平台“ Drive PX Pegasus”，旨在将全自动驾驶汽车尽早推向市场。美国麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室( CSAIL)开发出人工智能诊断系统，使乳腺癌早期诊断准确率提升至97%。我国华为公司发布全球首款人工智能手机芯片麒麟970( Kirin970)，搭配为人工智能运算专门设计的NPU，支持语音识别、人脸识别、场景识别等多个人工智能场景的处理。

机器人技术不断创新，市场规模持续扩大

2017年，全球机器人基础与前沿技术发展迅猛，主要围绕人机协作、人工智能和仿生结构3个重点展开。美国卡耐基梅隆大学开发出机器人触觉系统“ Fingervision”，能使庞大机器人通过触觉感知物品以控制握力，促进人机交互朝更安全的方向发展。美国麻省理工学院开发出机器人语音控制系统，能使机器人听懂简明直白的命令，甚至理解给出命令的语境。日本本田公司推出的人形救灾机器人E2-DR能够直立行走和攀爬，在灾难救援领域具有很大应用潜力。

3D打印技术飞速发展，在各领域获广泛应用

3D打印技术在医疗、航空航天、军事等领域应用显著。加拿大萨斯喀彻温大学开发出能修复心脏组织的生物3D打印贴片，能够有效促进受损心脏组织的再生长。俄罗斯发射首颗3D打印航天探测器“ Tomsk TPU-120”卫星。NASA成功测试由金属合金制成的3D打印火箭发动机点火器原型，有望使未来火箭发动机的成本降低三分之一，制造时间缩短50%。美国橡树岭国家实验室与海军颠覆性技术实验室合作开发出首个3D打印的潜艇艇体，耗时不到4周，成本降低90%。

2018年趋势展望

主要国家人工智能战略值得持续关注

法国经济部与教研部发布了《法国人工智能战略》，提出50多项建议，涉及研发、技术培训等领域，谋划未来发展先机。日本文部科学省确定了“交互系统”战略目标，强调以信息科技为核心，整合认知科学、心理学、脑科学等学科，推动交互系统发展，以促进社会结构及人类行为的优化。英国发布了《在英国发展人工智能》报告，对当前人工智能的研究、市场和政策支持进行分析并提出发展人工智能的建议。

无人驾驶汽车联盟全面铺开，竞争将更加激烈

英伟达将与德国邮政敦豪集团合作，于2018年大规模上路测试自动驾驶卡车。中国北汽集团与百度将在自动驾驶、车联网、云服务等领域达成战略合作，开展“人工智能十汽车”生态项目。美国通用公司与拼车公司Lyft合作，拟于2018年开始生产和部署数千辆无人驾驶电动汽车，并在曼哈顿街道上对其进行测试。

3D打印市场规模将持续扩大，继续向高端工业领域拓展深化

美国通用公司推出世界上最大的激光金属粉末3D打印机，能够打印1立方米体积的金属零件，可打印喷气式发动机的结构部件和单通道飞机零部件，拟于2018年实现商业化。加拿大卡尔顿大学正在研发能够自我复制的3D打印机，可利用月球上的材料打印自身组件，实现自产自组装，有望助力月球探索。

智能制造技术发展速度加快

日本电气公司推出的机器视觉检测系统可以逐一检测生产线上的产品，降低人工成本并提高了产品合格率。瑞士ABB集团新款单臂协作机器人Yumi预计2018年上市，其承重、灵活度相较双臂Yumi有较大提升。韩国LG电子将建立智能工厂，将采用人工智能技术，以实现从零部件采购、生产到质量检查与产品运输的全流程高效管理。

人工智能应用将更加扩展深化

中国光大银行与北京第四范式科技有限公司成立“人工智能实验室”，将在2018年展开合作，推动人工智能技术在金融领域更广泛的应用。腾讯发布AI产品腾讯觅影，结合人工智能技术和大数据能力让机器筛查和分析医学影像以辅助医生诊断。美国特斯拉公司宣布将结合人工智能技术为旗下无人驾驶汽车开发定制化硬件芯片，以提高计算能力与自动驾驶系统的可靠性。

-新材料领域-

2017年态势总结

先进结构材料3D打印化进程加速

科技强国纷纷推进先进结构材料3D打印化进程。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室成功开发出可3D打印的航空级碳纤维复合材料，为未来3D打印碳纤维在航空领域广泛应用奠定了基础。西门子开发出可耐受1250℃高温的3D打印金属燃气涡轮叶片，将叶片的研发时间缩短了近90%，极大降低了产品的开发成本。美国哈佛大学使用陶瓷泡沫墨水3D打印出轻质高强材料。美国加州大学科学家3D打印出高强度铝合金，其强度与锻造材料相当。

新能源材料不断取得重大突破

全球环境问题日益突出，可替代传统石化能源的新型材料更受关注，太阳能电池、储氢与超导等技术不断取得新进展。如美国能源部伯克利国家实验室开发出“无序”结构的锂电池阴极材料，结构稳定性和电池容量都有较大提升。美国德克萨斯大学奥斯汀分校开发出名为“交叉共晶合金”(IdEA)的新型阳极材料，可帮助缩小锂电池体积或将电池容量提升两倍。美国北卡罗莱纳州立大学研制出硼掺杂碳基超导体材料，将超导临界温度由11开尔文提升至37-57开尔文。

叠子芯片材料成为研发热点

随着量子计算与量子通信技术的飞速发展，量子芯片材料研究受到全球广泛关注。中国科技大学与日本国立材料研究所合作开发出新型二硫化钼二维材料半导体量子晶体管，为制备柔性量子芯片提供了新途径。美国普渡大学、麻省理工学院和阿贡国家实验室等科研机构合作研制出镍酸钐“量子材料”，或可推动模仿人类大脑的新算法研究。美国斯坦福大学研制出能在室温下操作的量子芯片材料，包括一种量子点和两种“色心”，使量子处理装置向实际应用跨出一大步。

新型半导体材料和显示材料继续强势发展

在显示材料方面，德国弗劳恩霍夫研究所的科研人员开发出纯石墨烯OLED电极的制备工艺，可用于制作新一代触摸屏材料、太阳能电池板等高端产品。韩国LG和三星向德国OLED材料开发商 Cynara投资2500万欧元，以支持其开发涵盖全系列色彩的有机发光材料。美国伊利诺伊大学和陶氏电子材料公司开发出既能发光又能感光的新型多功能纳米LED。在半导体材料方面，美国伊利诺伊大学成功在硅衬底上生成氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管结构。美国莱斯大学研究人员通过氟改性，将二维六方氮化硼从绝缘体转变为半导体材料。中科院物理研究所、半导体研究所与浙江大学等科研机构成功研制了满足高压碳化硅(SiC)电力电子器件制造所需的4-6英寸SiC单晶生长炉关键装备。

2018年趋势展望

先进信息技术变革新材料开发过程

人工智能技术对新材料开发的推动作用初步显现，如美哈佛大学研究人员借助机器学习算法，利用“废弃”数据成功预测新材料的合成。美哈弗福德学院和普渡大学利用人工智能预测制备亚硒酸盐晶体的反应条件，其准确度高于有十余年经验的材料化学家。量子计算技术在新材料开发方面的优势得到验证，如IBM公司科学家利用其研发的全新算法，成功在7量子位系统中模拟出氢化铍(BeH12)分子。2018年，随着人工智能与量子计算等先进信息技术的发展与成熟，新材料模拟和预测速度将大大加快，新材料的开发过程或将产生颠覆性的改变。

绿色、环保、高效和低碳成为新材料发展的主题

当前，环境问题持续发酵，世界各国正努力推进可持续发展和绿色经济。在这一背景下，开发低能耗、可循环使用、可生物降解以及环境负荷低等性能的新材料得到了全球科研机构与科技企业的广泛关注。2018年，与绿色经济和可持续发展直接相关的新材料的研发与商业化进程将持续加速，生物医用材料和节能环保材料等新材料的开发将受到广泛重视。3D打印技术在仿生材料、医用材料、航空航天器件、新武器、可穿戴器件等领域将会获得飞速发展。

材料与物理、化学、生物、信息等多学科交叉融合加剧

随着生物医用材料、信息材料、新能源材料等新材料的持续开发，以及人工智能和量子计算在新材料研发中的加速应用，材料与其他学科将广泛交叉融合，多学科交叉在材料创新中的作用将进一步凸显。2018年，新材料与其它高技术和新兴产业的交叉融合将开创新局面，颠覆性前沿新材料的研究和应用将进一步扩展。

-信息领域-

2017年态势总结

各国积极制定信息技术发展战略，推动数字化升级

英国推出《在英国发展人工智能》、《下一代移动技术:英国5G战略》及《英国数字化战略》，旨在塑造领先的数字化经济，确保英国在信息技术领域优势地位。美国众议院通过《政府信息技术现代化法案》，为联邦政府的信息技术现代化提供支持。俄罗斯政府正式批准《俄罗斯联邦数字经济规划》，将人工智能、机器人技术和量子计算等列为政府重点扶持的关键数字技术。

人工智能应用加速落地，对国家安全影响初显

在应用开发方面，微软、谷歌、Facebook、苹果、IBM和英伟达等科技巨头相继推出人工智能开发平台，开发出的人工智能应用已成功用于自动驾驶、金融、医疗健康、个人数字化助理等商业化领域。在国家安全方面，人工智能的颠覆性影响初步显现。英伟达公司开发出人工智能图像伪造技术，可生成能够以假乱真的人物照。美国斯坦福大学研发出一种基于人工智能芯片的自主网络攻击系统，能够根据网络实时环境对攻击程序进行动态调整，隐蔽性和破坏性极强。俄罗斯战术导弹公司计划开发使用机器学习算法的人工智能导弹。

量子技术不断取得重大突破，发展速度超出预期

世界科技巨头加速推动量子技术研发，抢占科技发展制高点。IBM开发出一台50量子比特的量子计算机原型机，迎来量子计算机发展的重要里程碑。日本NTT公司研发出超高性能新型量子计算机，可瞬间解析复杂算法。英特尔推出17量子位的超导量子芯片，推动量子计算迈入半导体产业。在量子技术飞速发展的同时，科技巨头开始布局量子技术的商业化应用。谷歌公司通过云计算服务开放量子计算机，其中政府和学术研究员将可以免费使用。IBM宣布在2017年末通过云计算平台，将一台20个量子比特的量子计算机向公众开放，以推动量子计算技术发展。

虚拟/增强现实重塑工作方式，商业进程稳步推进

虚拟/增强现实是一项重要的军民通用前沿技术，能够重塑生产生活的体验方式。美国宇航局开发出一套可模拟国际空间站的混合现实模拟器，大幅提升了宇航员的训练效果。美军成功研发名为“战术增强现实”(TAR)的头戴显示装置，能够在战场上为士兵提供充足的信息支持。科技巨头看好虚拟/增强现实的应用前景，不断推动其商业化发展。苹果公司加入Weber社区小组，发力虚拟现实技术。AMD收购虚拟现实无线芯片开发商Niter。微软拟开发人工智能芯片，将用于增强现实眼镜Hololens。

全球网络安全形势愈发严峻，国际合作不断加强

随着移动通信、云计算、物联网和人工智能等技术的进步，网络攻击、窃密、诈骗和走私等犯罪行为也愈演愈烈。黑客利用美国家安全局漏洞工具“永恒之蓝”制作的“Wannacry”勒索软件，导致全球150多个国家超30万台计算机感染，造成了巨大的经济损失和极恶劣的影响。此后，更具破坏性的勒索病毒“Petya”袭击了欧洲多个国家，对乌克兰、俄罗斯、西班牙、法国、英国、丹麦等国的关键基础设施造成严重影响。在这一背景下，世界各国加强国际合作，共同应对愈发严峻的网络安全形势。中美执法及网络安全对话于华盛顿举行，中美深化执法与网络安全领域合作。澳大利亚与新加坡签署网络安全谅解备忘录，旨在加强两国间的信息共享以及进行网络安全联合演习。

2018趋势展望

新一代信息通信技术推动产业升级变革

欧盟委员会发布《面向2018-2020年的H2020ICT工作计划》，提出欧洲工业数字化技术、数据基础设施、5G、下一代互联网等技术的未来研究计划，2018年信息通信技术(ICT)研究预算高达5.14亿欧元。2018年，英法日等发达国家将继续推进“人工智能发展战略”，促进人工智能技术向其他经济领域转化。经济合作与发展组织在《2017年数字经济展望报告》中指出，通信技术设施和服务迅速发展，信息技术应用不断增多，数字创新和新兴商业模式正在推动众多领域的变革。

物联网将成为支撑经济和社会发展的新型基础设施

《2016-2017中国物联网发展年度报告》显示，当前全球每天约有550万台设备加入物联网，2018年全球物联网市场规模有望超过千亿美元。调研机构 Gartner预计，至2021年，全球联网设备将达到280亿个，其中160亿个与物联网相关。物联网各行业的加快普及将越来越多的设备、车辆、终端纳入智能化之中，促进电网、水网、公路、铁路、港口等传统基础设施网络化、智能化转型，为新经济和新社会形态快速发展提供基础设施支撑。

人工智能技术将对大部分垂直领域产生影响

目前，人工智能技术已经对制造业、客户服务、金融、医疗保健和交通运输产生重要影响。例如，澳大利亚阿德莱德大学开发出可预测病人寿命的人工智能技术，精确度达到69%。英国剑桥大学开发出可提前预测地震的人工智能系统。俄先期研究基金会开发出可实时检测飞机状态并预测寿命的人工智能技术。2018年，科技巨头将提供更加多样化的人工智能产品，如英伟达计划推出下一代全自动驾驶计算机芯片并商用。日本富士通计划推出高效能人工智能专用芯片。随着人工智能技术的进一步发展与成本的逐渐降低，人工智能将逐渐对更广泛的领域产生影响。

网络攻击威胁进一步升级，破坏能力显著提高

《福布斯》杂志认为，随着物联网设备不断接入互联网，物联网安全风险将愈发严重。2018年，存在安全漏洞的物联网设备数量将继续增长，黑客将利用这些漏洞对用户展开大规模窃听，或利用物联网设备组成的僵尸网络发起分布式拒绝(DDoS)攻击，对政府或媒体网站造成严重威胁。2018年，人工智能攻击技术可能取得新进展，黑客组织或使用人工智能及机器学习技术开展网络攻击，此类攻击具有隐蔽性、针对性强等特点，将给网络防御带来更大挑战。随着移动通信、云计算、物联网和人工智能等技术的进步,网络攻击、窃密、诈骗和走私等犯罪行为也愈演愈烈。黑客利用美国家安全局漏洞工具“永恒之蓝”制作的“Wannacry”勒索软件,导致全球150多个国家超30万台计算机感染,造成了巨大的经济损失和极恶劣的影响。此后,更具破坏性的勒索病毒“Petya”袭击了欧洲多个国家,对乌克兰、俄罗斯、西班牙、法国、英国、丹麦等国的关键基础设施造成严重影响。在这一背景下,世界各国加强国际合作,共同应对愈发严峻的网络安全形势。中美执法及网络安全对话于华盛顿举行,中美深化执法与网络安全领域合作。澳大利亚与新加坡签署网络安全谅解备忘录,旨在加强两国间的信息共享以及进行网络安全联合演习。

未来智能实验室是人工智能学家与科学院相关机构联合成立的人工智能，互联网和脑科学交叉研究机构。

未来智能实验室的主要工作包括：建立AI智能系统智商评测体系，开展世界人工智能智商评测；开展互联网（城市）云脑研究计划，构建互联网（城市）云脑技术和企业图谱，为提升企业，行业与城市的智能水平服务。