王本力 張鎮(zhèn) 李茜

新材料是工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)、產(chǎn)品、裝備創(chuàng)新的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，對于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。新材料產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。為搶占戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)制高點，美歐日等發(fā)達(dá)國家更是從國家戰(zhàn)略高度加快新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展步伐。如何在較短的時間實現(xiàn)對先進(jìn)國家的超常規(guī)趕超，成為我國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。當(dāng)前，中國正在轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，“互聯(lián)網(wǎng)+”和“中國制造2025”為中國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來挑戰(zhàn)與機(jī)遇?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”的本質(zhì)是變革和創(chuàng)新，“互聯(lián)網(wǎng)+”與新材料產(chǎn)業(yè)的深度融合，將有助于突破新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制約瓶頸，帶來新材料研發(fā)模式、生產(chǎn)模式、創(chuàng)新模式的深刻變化，推動新材料產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展，為實現(xiàn)“中國制造2025”提供堅實基礎(chǔ)和有力支撐。

一、新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制約瓶頸

1.傳統(tǒng)研發(fā)模式導(dǎo)致新材料升級換代慢

材料研發(fā)的本質(zhì)是探求材料成分-工藝-組織結(jié)構(gòu)-性能-服役行為的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，一般要經(jīng)過基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究、中試研究、系統(tǒng)集成與驗證、工業(yè)化制造等多個階段才可能成功實現(xiàn)新材料的市場應(yīng)用。一直以來，新材料研制多采用“炒菜式”試錯法，在現(xiàn)有材料基礎(chǔ)理論和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，通過大量消耗性實驗來反復(fù)調(diào)整成分和溫度、時間、加熱/冷卻速率以及外場作用等各種工藝參數(shù)，實現(xiàn)材料組織結(jié)構(gòu)和性能的調(diào)控優(yōu)化。這種研發(fā)模式常常消耗大量的資源、能源、時間和人力，研發(fā)成本市場難以接受，甚至有些極端條件的實驗更難實現(xiàn)。即使當(dāng)前的一些計算工具，由于受到各種限制，難以在學(xué)術(shù)界大規(guī)模推廣、被工業(yè)界廣泛認(rèn)可。此外，新材料從發(fā)現(xiàn)到最終應(yīng)用缺乏全產(chǎn)業(yè)鏈集成，各個研究環(huán)節(jié)缺少深入合作和數(shù)據(jù)共享。在傳統(tǒng)研發(fā)模式下，新材料創(chuàng)新研發(fā)效率很低、產(chǎn)業(yè)化周期較長，新材料升級換代慢、嚴(yán)重滯后新工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計步伐。傳統(tǒng)的材料研發(fā)模式已不適應(yīng)工業(yè)的快速發(fā)展需求，日益成為限制技術(shù)和工業(yè)發(fā)展的瓶頸。

2.傳統(tǒng)生產(chǎn)方式難以滿足新材料市場需求

傳統(tǒng)的材料生產(chǎn)是在工廠里通過鑄造、鍛壓、焊接等材料成形技術(shù)和車、銑、磨等機(jī)械加工方法，將成品制造出來。在這一過程中，受制于設(shè)備加工能力和材料多樣化，有些材料或零件雖然采用傳統(tǒng)方法能夠生產(chǎn)制造，但生產(chǎn)投入高、生產(chǎn)周期長、有時材料利用率甚至低于30%，生產(chǎn)過程中消耗了大量的能源資源，成本高昂，產(chǎn)品缺乏市場競爭力。有些個性化或形狀復(fù)雜產(chǎn)品，生產(chǎn)難度高，采用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式甚至不能制造出來。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式很難滿足任何時間、任意地點、任意領(lǐng)域的生產(chǎn)制造要求，不能適應(yīng)新材料市場的需求。

3.新材料形勢嚴(yán)峻，關(guān)鍵材料自主創(chuàng)新差

新材料是新興工業(yè)的基礎(chǔ)，材料創(chuàng)新是各種技術(shù)革命的核心。在原始創(chuàng)新上投入大、周期長，我國新材料產(chǎn)業(yè)涉足不夠；在集成創(chuàng)新上，各種相關(guān)數(shù)據(jù)、資源、研究力量分散，自主知識產(chǎn)權(quán)缺失，難以實現(xiàn)集成應(yīng)用；在引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新上，長期受發(fā)達(dá)國家技術(shù)封鎖。自主創(chuàng)新不足給新材料產(chǎn)業(yè)帶來了一些問題，如關(guān)鍵材料自給率低、核心技術(shù)嚴(yán)重缺乏、核心專利受制于人。有統(tǒng)計顯示，我國所需的130種關(guān)鍵材料中有32%完全空白，54%國內(nèi)雖能供應(yīng)，但質(zhì)量一致性較差，僅14%實現(xiàn)了完全自給。我國新材料領(lǐng)域形勢嚴(yán)峻，關(guān)鍵新材料的缺乏制約著我國信息、能源、環(huán)境、交通、醫(yī)藥、國防等工業(yè)領(lǐng)域能力的提升，成為國家安全和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的嚴(yán)重威脅。

二、“互聯(lián)網(wǎng)+”加速新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

1.“互聯(lián)網(wǎng)+”推動新材料研發(fā)模式的變革

云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)和智能感知終端等現(xiàn)代信息通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，使新材料研發(fā)及應(yīng)用過程中信息資源的無縫銜接、快速處理和高效利用成為可能?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”正在推動集成化信息平臺下的“材料基因工程”建設(shè)，對已有的材料研究設(shè)備和力量進(jìn)行有效整合，對材料研究的模式進(jìn)行全面改革，為新材料的創(chuàng)新提供集成化、網(wǎng)絡(luò)化、各種數(shù)據(jù)和資源共享的平臺，支持跨領(lǐng)域、跨組織和跨地域的新材料協(xié)同創(chuàng)新?；谠朴嬎愫鸵苿踊ヂ?lián)網(wǎng)，集成不同功能和性能的計算材料科學(xué)軟件，建設(shè)材料高通量計算模擬平臺；基于云計算和移動互聯(lián)網(wǎng)，集成通用和專用材料數(shù)據(jù)庫，建設(shè)材料高通量數(shù)據(jù)平臺；利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)和智能終端等現(xiàn)代信息技術(shù)，實現(xiàn)與現(xiàn)代化材料制備裝置和檢測設(shè)備的深度融合，實現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)的異地、高效、實時傳輸和集成，智能化的數(shù)據(jù)處理、存儲和利用，建設(shè)材料高通量實驗檢測信息平臺?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”引起材料研發(fā)模式質(zhì)的變革，用高通量并行迭代替代傳統(tǒng)試錯法中的多次順序迭代，由“經(jīng)驗指導(dǎo)實驗”向“理論預(yù)測、實驗驗證”的材料研究模式轉(zhuǎn)變，帶來研究效率的根本轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)材料研發(fā)的“多、快、好、省”和材料的定制。高通量組合材料研發(fā)模式已被廣泛應(yīng)用于功能材料、結(jié)構(gòu)材料以及催化劑材料的研發(fā)設(shè)計，已被科學(xué)界和工業(yè)界廣泛接受。

2.“互聯(lián)網(wǎng)+”帶來新材料生產(chǎn)方式的革新

材料的性能不僅與材料的組成和結(jié)構(gòu)相關(guān)，還與其制造工藝相關(guān)。相同組成、不同用途的材料其制備工藝往往不同。為獲得滿足性能要求的新材料，先進(jìn)的制造方法學(xué)成為材料科學(xué)研究的重點?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”為材料領(lǐng)域的技術(shù)改造、革新提供了嶄新的工具和手段。采用數(shù)字化技術(shù)對材料生產(chǎn)全過程中復(fù)雜化學(xué)物理現(xiàn)象和信息演變過程的定量計算、模擬與控制，實現(xiàn)了材料的數(shù)據(jù)制造；計算機(jī)數(shù)字仿真技術(shù)推動了材料虛擬設(shè)計的發(fā)展；增材制造技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜個性化材料的精準(zhǔn)制造；網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)使企業(yè)內(nèi)部、企業(yè)之間以及企業(yè)和用戶之間實現(xiàn)了跨地域、跨領(lǐng)域的數(shù)據(jù)共享、協(xié)同設(shè)計、協(xié)同制造，實現(xiàn)可視化、個性化智能定制。“互聯(lián)網(wǎng)+”推動材料生產(chǎn)制造向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。

3.“互聯(lián)網(wǎng)+”實現(xiàn)新材料創(chuàng)新方式突破

我國關(guān)鍵新材料自主創(chuàng)新能力不足，“互聯(lián)網(wǎng)+”的大背景下，新材料產(chǎn)業(yè)涌現(xiàn)出開放式集成創(chuàng)新、大眾創(chuàng)新、融合創(chuàng)新等新方式。高通量組合材料研發(fā)模式借鑒了集成電路芯片、基因芯片、組合化學(xué)和材料信息學(xué)的理念和思路，其基礎(chǔ)是跨領(lǐng)域集成，包括計算模擬、實驗、和理論基礎(chǔ)、物理、化學(xué)、材料、信息等跨學(xué)科集成，政府、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界集成，材料發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用全產(chǎn)業(yè)鏈集成，各種數(shù)據(jù)和信息資源集成等，正體現(xiàn)開放式集成創(chuàng)新。利用集成的材料數(shù)據(jù)和信息庫，任何人可以在終端采用人工加機(jī)器學(xué)習(xí)的方式來開展新材料研究和應(yīng)用，并把自己的數(shù)據(jù)信息共享，從而實現(xiàn)新材料研發(fā)的大眾創(chuàng)新。采用一定的利用模擬計算手段，開展納米技術(shù)、光電材料、生物材料和能源材料融為一體的材料研發(fā)融合式創(chuàng)新，也是當(dāng)前新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢。

三、“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的新材料產(chǎn)業(yè)

1.大數(shù)據(jù)是創(chuàng)新新材料研發(fā)模式的關(guān)鍵手段

創(chuàng)造一種全新的突破性材料可能需要長達(dá)10～20年的研究和實驗。開展新材料的研制離不開海量數(shù)據(jù)處理，包括各種材料數(shù)據(jù)庫、工藝流程、大量的原始數(shù)據(jù)以及國內(nèi)外同行的數(shù)據(jù)等。借助大數(shù)據(jù)的運算能力，可以使關(guān)鍵新材料的發(fā)現(xiàn)、研發(fā)、生產(chǎn)到應(yīng)用的進(jìn)程至少加倍，成本降為原來的幾分之一。大數(shù)據(jù)貫穿新材料研發(fā)、設(shè)計、制造全過程，成為創(chuàng)新材料研發(fā)模式的關(guān)鍵手段。美國麻省理工學(xué)院的材料數(shù)據(jù)庫包含大約10萬種已知或理論上的材料信息，哈佛在網(wǎng)上公開了230萬種混合物數(shù)據(jù)，人們可以通過網(wǎng)絡(luò)入口讀取數(shù)據(jù)，任何人可以通過在終端上下載一個程序來進(jìn)行運算并返還數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享、使用、整合。我國西北工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、北京科技大學(xué)、東北大學(xué)、北京化工大學(xué)、中南大學(xué)、上海大學(xué)等7所高校以云計算模式構(gòu)建了材料學(xué)科資源云，已經(jīng)初具規(guī)模，集成了11類48種材料計算軟件（包括16種開源材料計算軟件）和59個材料數(shù)據(jù)庫，為使用人員提供基于云桌面的交互界面，實現(xiàn)了使用人員桌面環(huán)境的定制。利用大數(shù)據(jù)價值的真實案例已然出現(xiàn)，人們用大數(shù)據(jù)定制更好的碳環(huán)結(jié)構(gòu)化學(xué)反應(yīng)全新催化劑、研制有機(jī)太陽能電池用新物質(zhì)、設(shè)計多功能添加劑等。

2.材料服務(wù)業(yè)是變革新材料生產(chǎn)方式的重要支撐

增材制造技術(shù)對推動新材料生產(chǎn)向服務(wù)型轉(zhuǎn)變具有不可估量的作用，是實現(xiàn)新材料生產(chǎn)個性化、精準(zhǔn)化、協(xié)同化的重要基礎(chǔ)支撐。上海交通大學(xué)王成燾等開展個性化骨科植入物及內(nèi)植物從設(shè)計到生產(chǎn)的研究，構(gòu)建了骨關(guān)節(jié)外科手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)以及基于導(dǎo)航系統(tǒng)的機(jī)器人技術(shù)，建立了個性化假體專業(yè)數(shù)字制造平臺、基于網(wǎng)絡(luò)的個性化假體異地設(shè)計系統(tǒng)、個性化假體的網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)。以此為依托，通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合方式，上海晟燁信息科技有限公司（以下簡稱“上海晟燁”）開展了基于數(shù)字醫(yī)學(xué)影像與3D打印技術(shù)的醫(yī)學(xué)工程服務(wù)，已經(jīng)為全國100多家醫(yī)院提供臨床服務(wù)，累計完成7 000多例相關(guān)病例的研究與應(yīng)用。上海晟燁與深圳光韻達(dá)光電科技股份有限公司（以下簡稱“深圳光韻達(dá)”）合作成立了上海光韻達(dá)三維科技有限公司，通過整合上海晟燁（軟件、人才以及醫(yī)院）以及深圳光韻達(dá)（硬件、技術(shù)以及產(chǎn)業(yè)化能力）的優(yōu)勢資源，通過“云服務(wù)平臺+軟件+3D打印”三位一體的服務(wù)模式，推動個性化定制生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。華南理工大學(xué)開展了骨缺損的個性化精確修復(fù)和個性化正畸托槽研制，與廣州瑞通生物科技有限公司合作實現(xiàn)了個性化正畸產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化，成為世界第2家、國內(nèi)首家個性化舌側(cè)正畸托槽制造商。西安交通大學(xué)（以下簡稱“西安交大”）開發(fā)了快速成形制造系統(tǒng)集成，每年可為我超過2 000家高新技術(shù)企業(yè)提供科技能力服務(wù)。

3.自主創(chuàng)新推動新材料快速發(fā)展我國開展高通量組合材料研究開始起步，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)方面的積累更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，一批具有高通量組合材料研究和產(chǎn)業(yè)化經(jīng)歷的高端人才先后通過“千人計劃”等途徑回國發(fā)展，推動了我國新材料的快速發(fā)展。我國先后建立了多個協(xié)同創(chuàng)新中心，如西安交大多學(xué)科材料研究中心、上海大學(xué)材料基因組工程研究院、寧波國際材料基因工程研究院等。寧波材料基因工程項目團(tuán)隊開發(fā)的國內(nèi)首臺48靶材離子束濺射真空鍍膜設(shè)備已經(jīng)下線，目前正在開發(fā)兩臺用于測試的高通量材料表征設(shè)備，預(yù)計未來5年內(nèi)，團(tuán)隊一系列高通量儀器設(shè)備銷售收入將突破億元大關(guān)。中國建筑材料科學(xué)研究總院項曉東研究員基于同步輻射大科學(xué)裝置發(fā)展原位實時高通量材料成分/結(jié)構(gòu)表征技術(shù)、基于飛秒激光的高通量測試技術(shù)等。上海大學(xué)材料基因組工程研究院與中科院上海硅酸鹽研究所聯(lián)合研制成功了世界首款納米氧化釩基塑料貼膜，用于智能節(jié)能玻璃，并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。高通量組合材料實驗平臺已廣泛應(yīng)用于功能材料、結(jié)構(gòu)材料和催化劑材料的研制。

四、進(jìn)一步推動“互聯(lián)網(wǎng)+”在新材料中的應(yīng)用

“互聯(lián)網(wǎng)+新材料”，即采用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、智能感知終端等信息通信技術(shù)，改造和提升新材料的全產(chǎn)業(yè)鏈，與“中國制造2025”、“工業(yè)4.0”的內(nèi)涵一致，帶來新材料產(chǎn)業(yè)研發(fā)模式、生產(chǎn)模式、管理模式、營銷模式的變革和創(chuàng)新。為進(jìn)一步推動“互聯(lián)網(wǎng)+”與新材料產(chǎn)業(yè)的深度融合，建議開展以下工作：

1.加強(qiáng)頂層設(shè)計，實現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+”與新材料的深度融合

開展頂層規(guī)劃設(shè)計，研究“互聯(lián)網(wǎng)+”、“中國制造2025”與新材料產(chǎn)業(yè)的深入結(jié)合，提升互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與新材料技術(shù)的耦合度；成立“互聯(lián)網(wǎng)+新材料融合協(xié)調(diào)組”，實現(xiàn)國家層面的協(xié)調(diào)；制定針對“互聯(lián)網(wǎng)+新材料”的重大研究計劃，組建全國性的“材料創(chuàng)新研究中心”，打造全國性的“材料創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施”；發(fā)揮政府引導(dǎo)作用和企業(yè)主導(dǎo)作用。

2.開展大數(shù)據(jù)研究，推動新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展

建立材料數(shù)據(jù)集成化標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，解決數(shù)據(jù)割裂和數(shù)據(jù)質(zhì)量問題；建立數(shù)據(jù)共享有償使用體制和機(jī)制，破除相關(guān)利益壁壘；實施新材料大數(shù)據(jù)研究和發(fā)展計劃，提升從大數(shù)據(jù)中獲取信息的能力；深入研究材料大數(shù)據(jù)的發(fā)展與應(yīng)用模式，開展個性化定制服務(wù)；建立數(shù)據(jù)安全保密機(jī)制，加強(qiáng)知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，推動新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

3.建立協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制，鼓勵新材料創(chuàng)新

建立協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制，推動“互聯(lián)網(wǎng)+”與新材料的融合與協(xié)同；營造有利于不同學(xué)科、不同領(lǐng)域、不同地域、產(chǎn)業(yè)鏈不同環(huán)節(jié)深入交流和合作的氛圍，實現(xiàn)多領(lǐng)域、跨學(xué)科、全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同創(chuàng)新；加強(qiáng)新材料產(chǎn)業(yè)和其他產(chǎn)業(yè)溝通，以制造業(yè)的實際需求為牽引，開展“官、產(chǎn)、學(xué)、研、用”交融的材料創(chuàng)新，從根本上改變科研、生產(chǎn)和應(yīng)用長期脫節(jié)的局面。