數(shù)字化制造和設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究所成立于2014年,總部位于芝加哥。數(shù)字化制造涉及基于計(jì)算機(jī)的集成系統(tǒng)的使用,包括模擬、三維可視化、分析和協(xié)作工具,以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和功能的仿真以及原型制造。設(shè)計(jì)創(chuàng)新是指有能力應(yīng)用這些技術(shù)、工具和產(chǎn)品來重新設(shè)計(jì)端到端的整個(gè)制造過程。
數(shù)字化制造和設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究所有201名成員,包括來自各個(gè)領(lǐng)域的大公司、眾多小公司和處于第一梯隊(duì)的11所大學(xué)。美國國防部陸軍制造技術(shù)項(xiàng)目提供了7000萬美元的資金,企業(yè)和州政府則提供了2480萬美元的配套資金。其使命是利用數(shù)字化制造加強(qiáng)供應(yīng)商之間深層次的聯(lián)系以降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本,改善產(chǎn)品生命周期內(nèi)端對(duì)端的連接以降低生產(chǎn)成本和資本要求,提高迭代速度來縮短上市時(shí)間,在數(shù)字設(shè)計(jì)、數(shù)字工廠和數(shù)字供應(yīng)鏈中開發(fā)和實(shí)施創(chuàng)新,并且開發(fā)新產(chǎn)品和改進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)品。
未來輕金屬創(chuàng)新研究所成立于2014年,總部位于密歇根州底特律,沿著I-75走廊延伸,在密歇根州、俄亥俄州、印第安納州、田納西州和肯塔基州均設(shè)有辦公室。輕質(zhì)和先進(jìn)金屬可以大幅改善材料性能,提高能源效率,從而改進(jìn)國防、能源、運(yùn)輸和一般性工程產(chǎn)品中許多系統(tǒng)的性能。輕質(zhì)金屬可用于風(fēng)力渦輪機(jī)、醫(yī)療技術(shù)、壓力容器和替代能源。
未來輕金屬創(chuàng)新研究所有78名成員,包括金屬、航空航天公司和汽車供應(yīng)商等各種大小型公司,以及17所大學(xué)。聯(lián)邦政府通過海軍研究辦公室和海軍制造技術(shù)項(xiàng)目提供了資金,成員們則提供了7000萬美元的配套資金。未來輕金屬創(chuàng)新研究所的使命是在高性能輕質(zhì)金屬的生產(chǎn)方面進(jìn)行創(chuàng)新,將獲得的新技術(shù)推廣應(yīng)用到工業(yè)上。該研究所致力于熔化、熱機(jī)械加工、粉末加工、敏捷的低成本模具、涂層和連接等項(xiàng)目,在汽車、航空航天、造船、鐵路、建造和其他領(lǐng)域加以廣泛應(yīng)用。此外,在眾多研究所中,該研究所一直是勞動(dòng)力教育培訓(xùn)方面的領(lǐng)跑者。
美國電力研究所于2015年成立,旨在開發(fā)寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)。與硅基技術(shù)相比,該技術(shù)可以通過更小、更快、更高效的半導(dǎo)體材料大幅提高能源效率和電力電子的可靠性。這些材料能夠在更高的溫度下工作,可以阻斷更高的電壓,以更快的速度進(jìn)行切換,功耗更低,同時(shí)更為可靠,在系統(tǒng)層級(jí)創(chuàng)造更高的收益。這些能力可以幫助大范圍的電力應(yīng)用降低重量、減少體積和節(jié)約生命周期成本。它們可以應(yīng)用到一系列領(lǐng)域,包括工業(yè)電機(jī)系統(tǒng)、消費(fèi)電子和數(shù)據(jù)中心,也能用于可再生能源(太陽能和風(fēng)能)的轉(zhuǎn)換。如果能將這些技術(shù)廣泛地加以應(yīng)用,即使只是應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)等有限領(lǐng)域中,每年也可以大幅節(jié)約電能。隨著生產(chǎn)水平的提高,寬帶隙技術(shù)的成本預(yù)計(jì)會(huì)下降。
美國電力研究所得到了能源部能源效率和可再生能源先進(jìn)制造業(yè)辦公室的7000萬美元撥款,此外還有7000萬美元的配套資金。它的組成成員包括17個(gè)產(chǎn)業(yè)界合作伙伴、5所大學(xué)和3個(gè)實(shí)驗(yàn)室,總部位于北卡羅來納州的羅利市。
先進(jìn)復(fù)合材料制造創(chuàng)新研究所成立于2015年,旨在10年內(nèi)開發(fā)和展示創(chuàng)新技術(shù),以將纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料的成本降低50%,能耗降低75%,而且實(shí)現(xiàn)95%的材料得到再利用。
輕質(zhì)、高強(qiáng)度和高剛度的復(fù)合材料已被確定為可跨行業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),有潛力提高交通運(yùn)輸行業(yè)的能源效率、實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電,并加大可再生能源的生產(chǎn)。從汽車到飛機(jī),再到風(fēng)力葉片,輕質(zhì)高強(qiáng)度復(fù)合材料應(yīng)用范圍廣泛。
實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的挑戰(zhàn)包括成本高、生產(chǎn)速度慢(循環(huán)周期長)、復(fù)合材料的生產(chǎn)能耗高、缺乏可回收性,以及必須改進(jìn)設(shè)計(jì)、模具和檢驗(yàn)工具并符合法規(guī)要求。從構(gòu)成材料生產(chǎn)到最終復(fù)合結(jié)構(gòu)制造,要滿足生產(chǎn)成本和性能目標(biāo),就必須加速技術(shù)開發(fā)和制造研究。
先進(jìn)復(fù)合材料制造創(chuàng)新研究所的總部位于田納西州的諾克斯維爾,得到了能源部能源效率和可再生能源先進(jìn)制造業(yè)辦公室的7000萬美元撥款,此外還有1.8億美元的配套資金。該研究所的組成成員包括57家公司、15所大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室,以及其他14個(gè)實(shí)體。
美國集成光子制造研究所成立于2015年,在紐約州奧爾巴尼和羅切斯特設(shè)有總部。其目標(biāo)是促進(jìn)通信信號(hào)的超高速傳輸,實(shí)現(xiàn)新的高性能計(jì)算,以及創(chuàng)造可推動(dòng)衛(wèi)生領(lǐng)域進(jìn)步的傳感器和成像技術(shù)。
集成光電要求在納米級(jí)的單個(gè)基板上集成多個(gè)光子和電子器件(例如激光器、探測(cè)器、波導(dǎo)儀器和被動(dòng)結(jié)構(gòu)、調(diào)制器、電子控制器和光學(xué)互連器)。集成這些組件的益處非常重大,包括簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、改進(jìn)系統(tǒng)性能、減少組件空間和功耗,以及改進(jìn)性能和可靠性,這些都將以更低的成本實(shí)現(xiàn)重要的新功能。目前的光子制造行業(yè)里有一系列相互關(guān)聯(lián)但基本獨(dú)立的企業(yè)、組織和活動(dòng)。該行業(yè)可以發(fā)展成為一個(gè)生態(tài)系統(tǒng),但缺乏必要的組織和市場(chǎng)力量來有效地針對(duì)制造技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新,以爭取集成光子器件經(jīng)濟(jì)高效的設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、組裝和封裝。
美國集成光電制造研究所的重點(diǎn)是建立端到端的光子生態(tài)系統(tǒng),包括國內(nèi)鑄造廠、集成設(shè)計(jì)工具、生產(chǎn)自動(dòng)化封裝、裝配和測(cè)試,以及勞動(dòng)力發(fā)展。除聯(lián)邦政府的撥款外,州政府和產(chǎn)業(yè)界還提供了2億多美元的配套資金進(jìn)行支持。
柔性混合電子制造研究所成立于2015年,中心設(shè)在加利福尼亞州圣何塞市(硅谷內(nèi))。其目標(biāo)是在可伸縮的柔性基板上制造可定制的設(shè)備,通過打印工藝將薄薄的CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)與增加的新零部件組合在一起。不同于當(dāng)前的硅處理器,這種技術(shù)可滿足電路、通信、傳感和電源等的柔性和混合要求。
柔性混合電子將保留傳統(tǒng)電子電路的全部操作,但采用新穎的柔性結(jié)構(gòu)和形式,可以彎曲、拉伸或折疊。由此,功能強(qiáng)大的電子器件將用在可彎曲的、不規(guī)則的和可拉伸的物體上。它們可以給傳統(tǒng)的電子封裝帶來新的形式,創(chuàng)造新一類的商業(yè)和國防技術(shù)。例如醫(yī)療設(shè)備和傳感器、用于監(jiān)測(cè)建筑或車輛性能的傳感器、通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行交互操作的傳感器、用于監(jiān)測(cè)物理位置的傳感器集群、可穿戴性能或信息設(shè)備、機(jī)器人技術(shù)、人機(jī)交互界面設(shè)備,以及輕型便攜式電子系統(tǒng)。這些技術(shù)還可以用于可穿戴技術(shù)、新型信息設(shè)備和傳感器、醫(yī)用假肢和傳感器,以及無人值守移動(dòng)傳感器等。
國防部“制造技術(shù)”項(xiàng)目提供了7500萬美元的撥款,產(chǎn)業(yè)界、州政府和地方政府則共同投入了9600萬美元。該研究所的組成成員包括來自半導(dǎo)體公司及其供應(yīng)商、航空航天、生命科學(xué)領(lǐng)域的22家公司、17所大學(xué),以及州和地區(qū)組織。
美國先進(jìn)功能性纖維研究所于2016年4月成立,由于剛剛開始啟動(dòng),成員尚未最終確定。其總部位于馬薩諸塞州劍橋市,并計(jì)劃建立一系列區(qū)域辦公室。
科學(xué)進(jìn)步使纖維和紡織品具有非凡的性能,包括強(qiáng)度、阻燃性和導(dǎo)電性。它們可以成為電子、傳感器和通信設(shè)備的部件。這一系列新的纖維和紡織品由特種織物、工業(yè)織物、電子紡織品和其他形式的高級(jí)紡織品組成。它們可以提供通信、照明、冷卻、健康監(jiān)測(cè)、電能存儲(chǔ)和許多此前與紡織品無法產(chǎn)生聯(lián)系的新功能。這些技術(shù)紡織品建立在合成、天然纖維混紡和多種材料纖維的基礎(chǔ)之上,在商業(yè)和國防領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)的可穿戴織物。
美國先進(jìn)功能性纖維研究所總部位于馬薩諸塞州的劍橋市,獲得了7500萬美元的美國國防部“制造技術(shù)”項(xiàng)目基金,以及約2.4億美元產(chǎn)業(yè)界和州政府的配套支持。它旨在通過公私合作的方式,服務(wù)于美國革命性纖維和紡織品制造端到端的創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng),而且利用國內(nèi)制造設(shè)施來開發(fā)制造工藝并加以規(guī)?;?。美國先進(jìn)功能性纖維研究所計(jì)劃利用強(qiáng)大的設(shè)計(jì)和仿真工具、試生產(chǎn)設(shè)施,以及與供應(yīng)商的協(xié)作基礎(chǔ)架構(gòu)來提供快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的機(jī)會(huì)、勞動(dòng)力發(fā)展的機(jī)會(huì)。該研究所希望結(jié)合IT技術(shù)進(jìn)步,將智能設(shè)備與纖維整合在一起,給纖維和紡織品帶來革命。
2016年6月份,貝拉克·奧巴馬總統(tǒng)宣布了新智能制造創(chuàng)新研究所的勝出。該研究所隨機(jī)啟動(dòng),其總部設(shè)在洛杉磯。
智能制造的特點(diǎn)是信息通信技術(shù)與制造工藝的融合,從而對(duì)工廠和企業(yè)的能源、生產(chǎn)率和成本進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。AMP2.0報(bào)告中將其確定為需要聯(lián)邦政府投資的、優(yōu)先級(jí)高的制造技術(shù)領(lǐng)域。智能制造將先進(jìn)的傳感器、控制、信息技術(shù)流程和平臺(tái),以及先進(jìn)的能源和生產(chǎn)管理系統(tǒng)連接在一起,有望在大量工業(yè)企業(yè)內(nèi)提高能源效率和制造能力。
智能制造創(chuàng)新研究所的預(yù)算為1.4億美元,其中聯(lián)邦政府已經(jīng)通過能源部的先進(jìn)制造業(yè)辦公室在5年內(nèi)撥款7000萬美元,其余的為配套資金。智能制造創(chuàng)新研究所將重點(diǎn)關(guān)注如何通過可降低能耗的智能傳感器等設(shè)備將信息技術(shù)整合到制造過程中。例如,該研究所計(jì)劃與美國能源部高級(jí)復(fù)合材料制造創(chuàng)新研究所合作,在碳纖維生產(chǎn)中對(duì)先進(jìn)傳感器進(jìn)行測(cè)試。智能制造創(chuàng)新研究所與200余家公司、大學(xué)、國家實(shí)驗(yàn)室和非營利組織合作。微軟公司、美國鋁業(yè)公司、康寧公司、??松梨诠尽⒐雀?、國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室和一系列小型公司都屬于合作伙伴之列。該研究所計(jì)劃在全美建立5個(gè)中心,由加利福尼亞州(加州大學(xué)洛杉磯分校)、得克薩斯州(得克薩斯農(nóng)工大學(xué))、北卡羅來納州(北卡羅來納州立大學(xué))和紐約州(倫斯勒理工學(xué)院)和華盛頓州(美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室)的大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室來負(fù)責(zé)管理,重點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)開發(fā)和轉(zhuǎn)讓,以及勞動(dòng)力培訓(xùn)。
2016年12月9日,能源效率和可再生能源辦公室宣布資助由美國化學(xué)工程師學(xué)會(huì)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)聯(lián)盟組建的第四家研究所,這是聯(lián)邦政府力爭在2030年實(shí)現(xiàn)美國能源生產(chǎn)率翻番目標(biāo)的關(guān)鍵一步。RAPID研究所將獲得高達(dá)7000萬美元的聯(lián)邦資金,130多個(gè)合作伙伴承諾將提供金額更多的配套資金。該研究所的重點(diǎn)是開發(fā)突破性的技術(shù),通過改進(jìn)石油天然氣、紙漿造紙和各種美國國內(nèi)化工制造商的制造工藝,在5年內(nèi)將美國國內(nèi)能源生產(chǎn)率和能源效率提高20%。
傳統(tǒng)的化工制造業(yè)依賴于大規(guī)模、高能耗的工藝。新研究所將利用各種途徑對(duì)模塊化化工過程進(jìn)行集約化,包括將混合、反應(yīng)和分離等多個(gè)復(fù)雜的工藝組合成單個(gè)步驟,從而提高能源生產(chǎn)率和效率,降低運(yùn)營成本并減少浪費(fèi)。工藝突破可以大幅減少車間所需設(shè)備的占地面積,或通過更有效地使用原材料來消除浪費(fèi)。例如,通過簡化和收縮工藝流程,可以使天然氣直接在井口進(jìn)行精煉,節(jié)省乙醇裂化過程中高達(dá)一半的能量損失。僅在化工行業(yè)里,這些技術(shù)每年可以為美國節(jié)省超過90億美元的加工成本。
2016年12月16日,商務(wù)部部長彭妮·普利茨克宣布將撥款7000萬美元成立新的國家生物制藥制造創(chuàng)新研究所。這是第一個(gè)根據(jù)行業(yè)建議確定重點(diǎn)領(lǐng)域并由商務(wù)部提供資金的研究所。商務(wù)部制定了“開放課題”方法,新研究所可以選擇現(xiàn)有研究所未曾覆蓋的任何領(lǐng)域。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院發(fā)起了一項(xiàng)“研究所行業(yè)建議競(jìng)賽”,采取由下而上的方式來選擇研究所的課題,讓行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)盟提出地區(qū)制造商認(rèn)為至關(guān)重要的技術(shù)領(lǐng)域,由此就有了國家生物制藥制造創(chuàng)新研究所。
國家生物制藥制造創(chuàng)新研究所將致力于改變生物制藥產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。總的來說,它將力爭提高美國在生物制藥行業(yè)的領(lǐng)先地位,改善醫(yī)藥治療,并通過開發(fā)符合特定生物制藥技能需求的新培訓(xùn)計(jì)劃來建設(shè)合格的員工隊(duì)伍。特拉華大學(xué)將與商務(wù)部的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院合作,在研究所的合作伙伴之間進(jìn)行協(xié)調(diào)。除了聯(lián)邦政府的資金之外,研究所還將得到1.29億美元的配套資金。這是一筆初始私人投資,投資方包括全美150家公司、教育機(jī)構(gòu)、研究中心、協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)、非營利組織和美國制造業(yè)擴(kuò)展伙伴關(guān)系項(xiàng)目。
2016年12月21日,國防部宣布將撥款成立先進(jìn)再生制造研究所。該研究所成為國防部領(lǐng)導(dǎo)的第七家研究所。新罕布什爾州計(jì)劃在5年內(nèi)撥款8000萬美元。該研究所總部設(shè)在曼徹斯特米利亞德,由德卡研發(fā)公司、新罕布什爾大學(xué)和達(dá)特茅斯-希區(qū)柯克醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)牽頭,負(fù)責(zé)利用生物技術(shù)開發(fā)和制造可移植到患者身上的組織和器官。德卡研發(fā)公司創(chuàng)始人迪恩·卡門負(fù)責(zé)該研究所的領(lǐng)導(dǎo)工作。它將開創(chuàng)用于修復(fù)和更換細(xì)胞與組織的下一代制造技術(shù),如果取得成功,可以實(shí)現(xiàn)新皮膚或救命器官的制造,幫助許多滯留在移植等待名單上的美國人。此外,該研究所還將著重解決阻礙人工合成組織和器官生產(chǎn)的跨領(lǐng)域制造挑戰(zhàn),例如提高可用性、可再生性、可訪問性,以及制造材料、技術(shù)和工藝的標(biāo)準(zhǔn)化。該研究所希望能進(jìn)行跨學(xué)科的合作,包括3D生物打印、細(xì)胞科學(xué)與工藝設(shè)計(jì)、自動(dòng)化藥物篩選方法,以及快速生產(chǎn)和運(yùn)輸這些救命材料所需的供應(yīng)鏈專業(yè)知識(shí)等。
減少材料制造的能源和降低排放研究所由美國能源部創(chuàng)建,于2017年1月4日入選美“國家制造創(chuàng)新研究所網(wǎng)絡(luò)”名單,該所總部位于紐約州羅切斯特,并由可持續(xù)制造創(chuàng)新聯(lián)盟負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)。該研究所將得到高達(dá)7000萬美元的聯(lián)邦政府撥款,以及100余家合作伙伴承諾的7000萬美元的配套資金,將重點(diǎn)降低金屬、纖維、聚合物和電子廢棄物等材料再使用、循環(huán)利用和再制造所需技術(shù)的成本,并且到2027年時(shí)實(shí)現(xiàn)整體能效提高50%。美國能源部表示,通過創(chuàng)新型新制造技術(shù),可以節(jié)省數(shù)十億美元的能源成本并提高美國的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭力。
該研究所旨在通過再利用和循環(huán)利用來減少人造材料在整個(gè)生命周期內(nèi)的能源使用量。美國制造業(yè)每年要消耗全國近三分之一的能源,其中大部分能源都被蘊(yùn)藏在制造業(yè)的實(shí)物產(chǎn)品中。新技術(shù)可以更好地重新利用這些材料,從而為美國每年節(jié)省高達(dá)1600萬億BTU(英國熱量單位)的能源,相當(dāng)于2.8億桶石油,或者是美國一個(gè)月的石油進(jìn)口量。
美國國防部提出成立的該新制造研究所,致力于打造美國在智能協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。先進(jìn)的機(jī)器人可以同人類進(jìn)行無縫、安全和直觀的協(xié)作,完成裝配線上的繁重工作以及需要精確處理、復(fù)雜或危險(xiǎn)的任務(wù)。美國國防部認(rèn)為,如果人類和協(xié)助他們的機(jī)器人一起合作,有可能改變從國防和太空到汽車和衛(wèi)生領(lǐng)域的眾多制造部門,從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量定制產(chǎn)品的可靠而高效的生產(chǎn)。
先進(jìn)機(jī)器人制造研究所于2017年1月13日成立,是奧巴馬政府宣布的第14個(gè)美國制造研究所,也是最后一個(gè)美國制造研究所。總部設(shè)在匹茲堡,卡內(nèi)基梅隆大學(xué)負(fù)責(zé)召集籌建小組。該研究所將集合一支龐大的團(tuán)隊(duì),包括31個(gè)州的84個(gè)行業(yè)合作伙伴、35所大學(xué)和40支其他團(tuán)體。聯(lián)邦政府撥款加上產(chǎn)業(yè)界和州政府的投入總額約為2.5億美元。其中,聯(lián)邦政府承諾投入資金8000萬美元。克萊姆森大學(xué)勞動(dòng)力發(fā)展中心將負(fù)責(zé)該新研究所的勞動(dòng)力培訓(xùn)計(jì)劃。
美國國防部在公告聲明中介紹了成立該新研究所的原因: 制造業(yè)早已經(jīng)開始使用機(jī)器人,但如今的機(jī)器人通常成本高昂、作用單一、難以重新編程,而且為了安全起見需要與人隔離。要達(dá)到國防和其他工業(yè)制造所需的精度水平,機(jī)器人的使用必不可少,但資本成本和使用的復(fù)雜性往往限制了中小型制造商使用這項(xiàng)技術(shù)。因此,先進(jìn)機(jī)器人制造研究所的使命就是整合各種各樣的行業(yè)實(shí)踐和研究所多學(xué)科的知識(shí),包括傳感器技術(shù)、末端執(zhí)行器開發(fā)、軟件和人工智能、材料科學(xué)、人機(jī)行為建模和質(zhì)量保證,創(chuàng)造并利用機(jī)器人技術(shù),建立強(qiáng)大的制造創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)。在先進(jìn)機(jī)器人制造研究所內(nèi),時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟,是時(shí)候去力爭實(shí)現(xiàn)一些技術(shù)的重大發(fā)展,其中包括但不限于協(xié)同機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器人控制(學(xué)習(xí)、適應(yīng)和重新定義目標(biāo))、敏捷操控、自動(dòng)導(dǎo)航和移動(dòng)、感知和傳感,以及測(cè)試、校核和驗(yàn)證。
美國國防部認(rèn)為,當(dāng)前美國在制造機(jī)器人技術(shù)方面的能力是“分散的”,有必要進(jìn)行更好的組織和協(xié)作,讓美國在該領(lǐng)域的全球競(jìng)爭中擁有更大的優(yōu)勢(shì)。
(全文續(xù)完)
(湯蘊(yùn)懿 編譯)