“互联网+”：新材料产业发展的强力引擎

王本力 张镇 李茜

新材料是工业领域实现技术、产品、装备创新的基础和先导，对于传统产业转型升级和新兴产业发展起着至关重要的作用。新材料产业是战略性新兴产业的基础产业。为抢占战略性新兴产业制高点，美欧日等发达国家更是从国家战略高度加快新材料产业的发展步伐。如何在较短的时间实现对先进国家的超常规赶超，成为我国新材料产业发展面临的严重挑战。当前，中国正在转变经济发展模式，“互联网+”和“中国制造2025”为中国新材料产业发展带来挑战与机遇。“互联网+”的本质是变革和创新，“互联网+”与新材料产业的深度融合，将有助于突破新材料产业发展的制约瓶颈，带来新材料研发模式、生产模式、创新模式的深刻变化，推动新材料产业的跨越式发展，为实现“中国制造2025”提供坚实基础和有力支撑。

一、新材料产业发展的制约瓶颈

1.传统研发模式导致新材料升级换代慢

材料研发的本质是探求材料成分-工艺-组织结构-性能-服役行为的内在关联，一般要经过基础研究、应用基础研究、中试研究、系统集成与验证、工业化制造等多个阶段才可能成功实现新材料的市场应用。一直以来，新材料研制多采用“炒菜式”试错法，在现有材料基础理论和经验的基础上，通过大量消耗性实验来反复调整成分和温度、时间、加热/冷却速率以及外场作用等各种工艺参数，实现材料组织结构和性能的调控优化。这种研发模式常常消耗大量的资源、能源、时间和人力，研发成本市场难以接受，甚至有些极端条件的实验更难实现。即使当前的一些计算工具，由于受到各种限制，难以在学术界大规模推广、被工业界广泛认可。此外，新材料从发现到最终应用缺乏全产业链集成，各个研究环节缺少深入合作和数据共享。在传统研发模式下，新材料创新研发效率很低、产业化周期较长，新材料升级换代慢、严重滞后新工业产品的设计步伐。传统的材料研发模式已不适应工业的快速发展需求，日益成为限制技术和工业发展的瓶颈。

2.传统生产方式难以满足新材料市场需求

传统的材料生产是在工厂里通过铸造、锻压、焊接等材料成形技术和车、铣、磨等机械加工方法，将成品制造出来。在这一过程中，受制于设备加工能力和材料多样化，有些材料或零件虽然采用传统方法能够生产制造，但生产投入高、生产周期长、有时材料利用率甚至低于30%，生产过程中消耗了大量的能源资源，成本高昂，产品缺乏市场竞争力。有些个性化或形状复杂产品，生产难度高，采用传统的生产方式甚至不能制造出来。传统的生产方式很难满足任何时间、任意地点、任意领域的生产制造要求，不能适应新材料市场的需求。

3.新材料形势严峻，关键材料自主创新差

新材料是新兴工业的基础，材料创新是各种技术革命的核心。在原始创新上投入大、周期长，我国新材料产业涉足不够；在集成创新上，各种相关数据、资源、研究力量分散，自主知识产权缺失，难以实现集成应用；在引进消化吸收再创新上，长期受发达国家技术封锁。自主创新不足给新材料产业带来了一些问题，如关键材料自给率低、核心技术严重缺乏、核心专利受制于人。有统计显示，我国所需的130种关键材料中有32%完全空白，54%国内虽能供应，但质量一致性较差，仅14%实现了完全自给。我国新材料领域形势严峻，关键新材料的缺乏制约着我国信息、能源、环境、交通、医药、国防等工业领域能力的提升，成为国家安全和社会经济发展的严重威胁。

二、“互联网+”加速新材料产业的发展

1.“互联网+”推动新材料研发模式的变革

云计算、物联网、移动互联网和智能感知终端等现代信息通信技术的迅猛发展，使新材料研发及应用过程中信息资源的无缝衔接、快速处理和高效利用成为可能。“互联网+”正在推动集成化信息平台下的“材料基因工程”建设，对已有的材料研究设备和力量进行有效整合，对材料研究的模式进行全面改革，为新材料的创新提供集成化、网络化、各种数据和资源共享的平台，支持跨领域、跨组织和跨地域的新材料协同创新。基于云计算和移动互联网，集成不同功能和性能的计算材料科学软件，建设材料高通量计算模拟平台；基于云计算和移动互联网，集成通用和专用材料数据库，建设材料高通量数据平台；利用物联网、云计算、移动互联网和智能终端等现代信息技术，实现与现代化材料制备装置和检测设备的深度融合，实现大规模数据的异地、高效、实时传输和集成，智能化的数据处理、存储和利用，建设材料高通量实验检测信息平台。“互联网+”引起材料研发模式质的变革，用高通量并行迭代替代传统试错法中的多次顺序迭代，由“经验指导实验”向“理论预测、实验验证”的材料研究模式转变，带来研究效率的根本转变，实现材料研发的“多、快、好、省”和材料的定制。高通量组合材料研发模式已被广泛应用于功能材料、结构材料以及催化剂材料的研发设计，已被科学界和工业界广泛接受。

2.“互联网+”带来新材料生产方式的革新

材料的性能不仅与材料的组成和结构相关，还与其制造工艺相关。相同组成、不同用途的材料其制备工艺往往不同。为获得满足性能要求的新材料，先进的制造方法学成为材料科学研究的重点。“互联网+”为材料领域的技术改造、革新提供了崭新的工具和手段。采用数字化技术对材料生产全过程中复杂化学物理现象和信息演变过程的定量计算、模拟与控制，实现了材料的数据制造；计算机数字仿真技术推动了材料虚拟设计的发展；增材制造技术实现复杂个性化材料的精准制造；网络化技术使企业内部、企业之间以及企业和用户之间实现了跨地域、跨领域的数据共享、协同设计、协同制造，实现可视化、个性化智能定制。“互联网+”推动材料生产制造向数字化、网络化、智能化方向发展。

3.“互联网+”实现新材料创新方式突破

我國关键新材料自主创新能力不足，“互联网+”的大背景下，新材料产业涌现出开放式集成创新、大众创新、融合创新等新方式。高通量组合材料研发模式借鉴了集成电路芯片、基因芯片、组合化学和材料信息学的理念和思路，其基础是跨领域集成，包括计算模拟、实验、和理论基础、物理、化学、材料、信息等跨学科集成，政府、学术界和工业界集成，材料发现到应用全产业链集成，各种数据和信息资源集成等，正体现开放式集成创新。利用集成的材料数据和信息库，任何人可以在终端采用人工加机器学习的方式来开展新材料研究和应用，并把自己的数据信息共享，从而实现新材料研发的大众创新。采用一定的利用模拟计算手段，开展纳米技术、光电材料、生物材料和能源材料融为一体的材料研发融合式创新，也是当前新材料产业发展的趋势。

三、“互联网+”背景下的新材料产业

1.大数据是创新新材料研发模式的关键手段

创造一种全新的突破性材料可能需要长达10～20年的研究和實验。开展新材料的研制离不开海量数据处理，包括各种材料数据库、工艺流程、大量的原始数据以及国内外同行的数据等。借助大数据的运算能力，可以使关键新材料的发现、研发、生产到应用的进程至少加倍，成本降为原来的几分之一。大数据贯穿新材料研发、设计、制造全过程，成为创新材料研发模式的关键手段。美国麻省理工学院的材料数据库包含大约10万种已知或理论上的材料信息，哈佛在网上公开了230万种混合物数据，人们可以通过网络入口读取数据，任何人可以通过在终端上下载一个程序来进行运算并返还数据，实现数据的共享、使用、整合。我国西北工业大学、华南理工大学、北京科技大学、东北大学、北京化工大学、中南大学、上海大学等7所高校以云计算模式构建了材料学科资源云，已经初具规模，集成了11类48种材料计算软件（包括16种开源材料计算软件）和59个材料数据库，为使用人员提供基于云桌面的交互界面，实现了使用人员桌面环境的定制。利用大数据价值的真实案例已然出现，人们用大数据定制更好的碳环结构化学反应全新催化剂、研制有机太阳能电池用新物质、设计多功能添加剂等。

2.材料服务业是变革新材料生产方式的重要支撑

增材制造技术对推动新材料生产向服务型转变具有不可估量的作用，是实现新材料生产个性化、精准化、协同化的重要基础支撑。上海交通大学王成焘等开展个性化骨科植入物及内植物从设计到生产的研究，构建了骨关节外科手术导航技术以及基于导航系统的机器人技术，建立了个性化假体专业数字制造平台、基于网络的个性化假体异地设计系统、个性化假体的网络制造系统。以此为依托，通过产学研结合方式，上海晟烨信息科技有限公司（以下简称“上海晟烨”）开展了基于数字医学影像与3D打印技术的医学工程服务，已经为全国100多家医院提供临床服务，累计完成7 000多例相关病例的研究与应用。上海晟烨与深圳光韵达光电科技股份有限公司（以下简称“深圳光韵达”）合作成立了上海光韵达三维科技有限公司，通过整合上海晟烨（软件、人才以及医院）以及深圳光韵达（硬件、技术以及产业化能力）的优势资源，通过“云服务平台+软件+3D打印”三位一体的服务模式，推动个性化定制生物医用材料产业的迅猛发展。华南理工大学开展了骨缺损的个性化精确修复和个性化正畸托槽研制，与广州瑞通生物科技有限公司合作实现了个性化正畸产品产业化，成为世界第2家、国内首家个性化舌侧正畸托槽制造商。西安交通大学（以下简称“西安交大”）开发了快速成形制造系统集成，每年可为我超过2 000家高新技术企业提供科技能力服务。

3.自主创新推动新材料快速发展我国开展高通量组合材料研究开始起步，在基础数据方面的积累更是远远不足，一批具有高通量组合材料研究和产业化经历的高端人才先后通过“千人计划”等途径回国发展，推动了我国新材料的快速发展。我国先后建立了多个协同创新中心，如西安交大多学科材料研究中心、上海大学材料基因组工程研究院、宁波国际材料基因工程研究院等。宁波材料基因工程项目团队开发的国内首台48靶材离子束溅射真空镀膜设备已经下线，目前正在开发两台用于测试的高通量材料表征设备，预计未来5年内，团队一系列高通量仪器设备销售收入将突破亿元大关。中国建筑材料科学研究总院项晓东研究员基于同步辐射大科学装置发展原位实时高通量材料成分/结构表征技术、基于飞秒激光的高通量测试技术等。上海大学材料基因组工程研究院与中科院上海硅酸盐研究所联合研制成功了世界首款纳米氧化钒基塑料贴膜，用于智能节能玻璃，并实现了产业化。高通量组合材料实验平台已广泛应用于功能材料、结构材料和催化剂材料的研制。

四、进一步推动“互联网+”在新材料中的应用

“互联网+新材料”，即采用云计算、大数据、物联网、移动互联网、智能感知终端等信息通信技术，改造和提升新材料的全产业链，与“中国制造2025”、“工业4.0”的内涵一致，带来新材料产业研发模式、生产模式、管理模式、营销模式的变革和创新。为进一步推动“互联网+”与新材料产业的深度融合，建议开展以下工作：

1.加强顶层设计，实现“互联网+”与新材料的深度融合

开展顶层规划设计，研究“互联网+”、“中国制造2025”与新材料产业的深入结合，提升互联网技术与新材料技术的耦合度；成立“互联网+新材料融合协调组”，实现国家层面的协调；制定针对“互联网+新材料”的重大研究计划，组建全国性的“材料创新研究中心”，打造全国性的“材料创新基础设施”；发挥政府引导作用和企业主导作用。

2.开展大数据研究，推动新材料产业发展

建立材料数据集成化标准和规范，解决数据割裂和数据质量问题；建立数据共享有偿使用体制和机制，破除相关利益壁垒；实施新材料大数据研究和发展计划，提升从大数据中获取信息的能力；深入研究材料大数据的发展与应用模式，开展个性化定制服务；建立数据安全保密机制，加强知识产权保护，推动新材料产业发展。

3.建立协同创新机制，鼓励新材料创新

建立协同创新机制，推动“互联网+”与新材料的融合与协同；营造有利于不同学科、不同领域、不同地域、产业链不同环节深入交流和合作的氛围，实现多领域、跨学科、全产业链的协同创新；加强新材料产业和其他产业沟通，以制造业的实际需求为牵引，开展“官、产、学、研、用”交融的材料创新，从根本上改变科研、生产和应用长期脱节的局面。