美國聯邦政府相信對制造產業的投資能夠振興美國制造行業。
將美國國家資源的一小部分投入到制造業將獲得極高的性價比,并且資源的高效生產將使美國的消費者受益,并可支持在美國這個重要經濟領域數百萬計的員工。這能確保美國在能達到退休年齡的工作人員比例逐年減少的情況下仍能保持經濟的增長。制造業的研究與發展也會使衛生保健、農業及交通運輸業受益,并且加強美國的資源、國防及能源安全。在未來五十年,由此產生的一系列研究活動將大大提高美國制造的質量并且提升生產力。這一戰略已經體現在美國政府主導的先進制造伙伴關系(AMP)與國家制造業創新網絡(NNMI)計劃中。
機器人技術是一個可以徹底改變制造業的關鍵性革命技術。美國的工人已經不再向往工廠中的低端工作,同時由于社保及醫療保險費用的增加,美國工人的人工成本也開始增加。即使我們能夠負擔工人的人工成本,小型的、復雜的生命周期較短的工業機器人產品依然需要擴大其適應性、精度、可靠性等能夠超越人類工人的技能。先進的機器人及生產自動化能夠:
1)保持本國知識產權及物質財富,否則其將選擇離岸生產;
2)使制造業公司更具競爭力;
3)能夠提供開發、生產、維護及培訓機器人的相關崗位;
4)允許工廠使用機器人團隊,利用人類與機器人的不同技能優勢(人類的智慧與靈巧,機器人的精度、強度及可重復性);
5)能夠改善工作條件同時減少昂貴的醫療費用;
6)減少成品制造時間,使制造商更能配合零售商需求的變化。
切實有效地使用機器人將會增加美國人民的就業機會、提高相關工作的質量,提升美國在全球的競爭力。基于以上優勢,NCR、思科、蘋果、聯想、特斯拉等公司已經將它們新的工廠設置在美國境內。它們期望利用機器人技術及自動化技術支持其公司繼續蓬勃發展。
以上總結了機器人及自動化技術在美國制造業以及在美國經濟中所占的重要地位,描述了機器人及自動化技術將在何處大大提高生產力,并展現了一個具有遠見的研究與發展路線圖,使美國的國家投資能夠對這些重點研究領域起到推動作用。
本文總結了制造與自動化機器人技術研討會的相關活動和結論,由美國國家科學基金會支持的Robotics-VO組織贊助了該研討會。該研討會是更新《美國機器人路線圖:從網絡到機器人》的五個研討會其中之一。該研討會的內容是根據過去的四、五年中機器人領域的發展不斷更新路線圖。在報告中提出的研究計劃將顯著增強美國的制造業經濟,將有利于形成一個受過良好訓練的并具有高超技術的生產線,創造新的就業機會,并且將在美國經濟的再次崛起起到重要的作用。
在這里,自動化和機器人都有特定的含義。根據電子和電機工程研究所機器人和自動化學會的定義,機器人技術主要指裝配有傳感器和促動器的系統,能夠自動化或者半自動化地和人類進行合作。機器人的研究強調應對無條理環境的智能性和適應性,而自動化的研究主要針對有條理的,有明確結構的環境中長時間工作的自動化系統的效率,生產力,質量和可靠性。
我們的目標有兩個層面:第一,揭示機器人和自動化技術在美國制造業中的策略重要性;第二,提出能夠使用機器人和自動化技術提高生產力的案例。
經濟驅動力
上世紀經濟發展的基礎來自于工業化,而核心就在于制造業。制造業部分提供了12%的美國GDP和9%的總就業。美國總出口的70%也歸功于制造業。因此,制造業代表了國家整體健康經濟的重要環節。在制造業當中,機器人產業總值達到了八十億美元,并以每年9%穩定增長。這個核心的機器人工業受到了制造業的大力支持,例如提供儀器,附屬的自動化設施以及系統的整合,一共貢獻了300億美元的工業總值。
在過去30年里,美國的制造業經濟產生了深遠的變化。除了對加拿大,中國,墨西哥和日本顯著的貿易逆差,制造業仍舊是美國經濟的主要部分。制造業包含了所有物品的生產制造,從消費電子到工業設備,貢獻了12%的美國GDP和9%的就業。美國制造業生產力超越了主要的競爭對手。在所有國家中,無論是單位時間和單位員工的平均生產力,美國都處于第一位。美國人均生產力持續增長,在過去三十年里生產力翻倍。實際上,正是不斷提高的生產力使得美國制造業在經濟衰退中保持競爭力,并在面對其他快速增長的經濟體,例如中國和印度時復蘇。生產力的增長和效率主要歸功于技術的革新和其在產品設計以及生產過程中的應用。目前,中國被認為是制造業的領頭羊,但是預計在2020年,美國制造業在產值和生產力方面都將超越中國。
然而,這種關系會一直變化。潛在的國外競爭者正在開展改善制造業過程的基礎研究和教育。另一方面,美國制造業的成果也在被用于科學研究,在過去十年時間里保持著穩定的進展。在這段時間里,美國制造業用于投資及開發的資金基本沒有變化,而在全球視角下,美國總的研究發展經費已經下降至只有30%。有時候,我們的外國競爭對手用同樣的創新技術,但是用很少的勞動力成本來削弱美國的統治地位,所以美國制造業面臨著越來越大壓力。美國的工業產品貿易差額以每十年500億美元的速度下降。此外,隨著人口老齡化,工人的數量也在急劇減少。樂觀估計,到2050年,每兩位工人就要供養一位退休工人。所以,機器人工人必須滿足人類工人數量減少的同時增加工業生產力的要求。最后,機器人與自動化技術的巨大進步將會是下一代高附加值產品的關鍵。依靠先進傳感器與微電子的納米尺度嵌入式計算機產業不再是勞動密集型產業能夠勝任的。
反觀中國、韓國、日本以及印度,正大力投資于高等教育與研究機構。印度與中國都正在有系統地召回他們在美國培養的科學家與工程師。美國的競爭者們還在機器人技術和與制造相關的特定領域開始動搖美國的主導地位。韓國每年投資1億美元,連續投資十年(2002-2012)至機器人技術研究與教育相關項目。歐盟投入了超過6億美元用于研發機器人技術及其認知系統,并且另外撥款9億美元至與制造業機器人相關的地平線計劃。日本也將在未來十年之內投入三億五千萬美元至仿人類機器人、服務機器人研發,并且宣布將在未來5年投入10億美元使日本成為工業機器人技術的全球領導者。與上述國家投資額度相比,美國聯邦政府投資的資金是非常不足的。
倉儲機器人kiva
并且,機器人技術對于自動化物流也具有重要意義。亞馬遜在2012年花了7億美元收購KivaSystems公司,使它能夠將最好的技術用于數據庫自動化。此外,蘋果和聯想在使用機器人系統之后已經不將亞洲作為其降低生產成本的第一選擇。在過去的十年里,中國工人的工資增幅為340%,而美國工人的工資增長則低得多。此外,特斯拉公司在加利福尼亞州開設了一個制造可代用燃料汽車的工廠,它應用了高度的自動化,這使它能繼續在美國生存。
經濟增長領域
美國商務部與美國競爭力委員會分析了大量的公司及其綜合年增長率,各主要工業行業分類數據如下表所示。
制造業目前的增長領域包括物流、物料搬運以及機器人技術。鑒于制造業的重要性,考慮如何利用機器人等技術增強美國制造業是非常有必要的。
機器人技術的消費化