纳米技术使能未来计算和工业4.0

微言创新 · 公众号 · · 2019-07-01 20:00

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编者按

美国出台的国家纳米技术行动计划(NNI)代表着未来纳米技术发展的趋势，具有风向标意义。本文通过分析2019NNI中的联名研究计划（NSIs）和重大专项（GCs），发现美国在应用纳米技术赋能未来计算和工业4.0领域做了重大战略部署和重点投入。

一、2019年美国NNI预算投入概况

自2001年NNI成立以来，美国已累计为NNI投入近270亿美元支持纳米技术及产业发展。 2019年，美国国家纳米技术计划（NNI）继续预算14亿美元支持纳米技术发展，与去年的投入基本相当。

图1 美国纳米技术行动计划（NNI）2019年预算投入情况

图2 美国纳米技术行动计划（NNI）2019年预算投入领域和比例

近20年来，美国除了保持在纳米技术基础研究、基础设施两个领域的持续高投入以外，更注重发展纳米使能技术（NEPs），即利用纳米技术开发材料、器件和系统，支撑传统产业升级和新兴产业应用。2011年开始，对于面向未来国计民生及经济技术发展的重大战略方向，NNI设立了联名研究计划（NSIs）和重大专项(GCs)，跨部门地开展联合应用开发，以抢占未来新兴产业和战略技术制高点。

二、美国联名研究计划（NSIs）和重大专项(GCs)重点使能工业4.0和未来计算

2017年以来，美国部署的NNI纳米技术联名计划（NSIs）和重大专项（GCs），主要包括以下六个方向：

1. 可持续的纳米制造：创造未来的产业；

2. 2020年及以后的纳米电子学；

3.纳米技术知识基础设施（NKI）：在可持续设计中实现国家领导力；

4. 纳米技术与传感器相互促进发展：纳米技术用于传感器，传感器再助力纳米技术进一步发展，以保护健康、改善环境和安全性；

5.通过纳米技术实现水资源可持续性：以纳米级解决方案应对全球性挑战；

6.纳米技术助力未来计算领域的巨大挑战。

以上前五个为联名研究计划，第六个为重大专项。

很明显，可以看出，除了纳米技术实现水资源可持续性的联名研究计划以外，其它五项均与工业4.0时代新一代信息技术、物联网、人工智能、大数据等有关。特别是专门列出未来计算重大专项，从材料、器件到系统等方面全方位进行投入和研发。其中2019年重点支持内容为：

（1）传感器相关的联名计划，聚焦可穿戴、便携式及可植入式传感器技术的挑战。大力支持的项目包括：国防部投资的用于监测伤口愈合的化学传感器、可以在生命系统内运转的智能分子传感器和量子传感器；国家科学基金会关于纳米生物传感器和生物光子学的专项规划；食品与农业研究院支持开发的纳米生物传感器，同时支持生理生物标志物的监测研究，以确保食品安全与生物安全和促进作物、牲畜的产量与健康达到最佳；国立卫生研究院资助国家牙科和颅面研究所进行口腔生物传感器的研究，以促进口腔生物传感器向临床实践转化。

（2）纳米制造联名计划，将致力于探索成功将产品从研发转为商业化的企业案例，尤其关注这些公司是如何克服关键技术障碍的。林业局的研发投资主要集中在纤维素纳米材料上，并优先用于制造不同类型纤维素纳米材料的技术和促进新产品开发的技术。食品与农业研究院则专注于研究来自作物、木材和其他生物质农业副产品的纳米生物材料。国家科学基金会助力先进制造业，通过解决基础研究领域的问题来推动美国制造业的创新，研究纳米级工程生物学对先进制造业的影响，纳米机器与纳米生物结构已成为当今制造业发展的一个新方向。

（3）纳米技术知识基础设施（NKI）联名计划，重点着力纳米信息学，助力纳米科技迈入大数据时代。 NKI联名计划的专项活动包括：国家科学基金会资助康奈尔大学的计算纳米技术网络项目，借助网络和软件驱动创新与发现，以助力数据基础设施、软件进步和高通量计算。国立卫生研究院制定了可持续战略，开发有效的数据收集、共享和开发工具，以加强医疗研究工作。

（4）纳米电子学联名计划，连同纳米技术推动未来计算方面的重大专项共同关注与支持下一代计算技术的研发活动。相关投资计划包括：国防部支持的量子信息处理和自旋电子学的光子解决方案，以及基于纳米光子学的储备池计算。国家科学基金会计划与半导体行业和相关机构在能效计算等方面开展持续合作，重点关注节能设备、系统和架构。

（5）与未来计算相关的重大专项硬件侧重于“超越摩尔定律”的系统架构和相应设备，软件则侧重于人工智能。本专项将由多个机构联合推进，包括国家科学基金会对类脑计算和认知智能（ICAs）研究的支持，该基金会计划与行业组织和机构进一步合作开发相关硬件和软件。

作者简介

齐莹菲，博士，上海产业技术研究院中德工业4.0发展研究中心行业研究员。

李小丽，上海产业技术研究院战略咨询中心副主任，中德工业4.0发展研究中心中方主任。

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