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美国制造创新研究院系列解读
发布时间:2018-02-26

        人体身上武装多少个传感器,才能让我们感到健康受到保障?这个问题要回答好,离不开一个独具特色的产业技术方向:柔性混合电子。

        柔性电子被认为是电子行业的未来,因为柔性电子产品可以弯曲、伸展,有时甚至还是可穿戴的,给出人类的生命体征数据,柔性电子技术已经成为美国政府研究的重要课题,许多研究机构和公司都投入资金研究柔性材料。特别是美国军方斥巨资支持柔性电子技术的发展,可见柔性电子技术未来的战略意义。

2015年8月,美国第七家制造业创新研究所——柔性混合电子制造创新研究所(Flexible Hybrid Electronics Manufacturing Innovation Institute,FHE-MII)在硅谷成立。该研究所由国防部主导,总投资额为1.71亿美元,其中7500万美元来自于联邦资金,9600万美元为非联邦资金;柔性技术联盟(FlexTech Alliance)将领导由96家公司、41所大学、14个州和地方政府组织、11家实验室及非营利性机构组成的集团,确保美国在下一代可弯曲、可穿戴电子器件制造业中居于领导地位。该集团联合了美国主要的电子及半导体公司(如:应用材料公司、苹果公司、联合技术公司等)、可将相关电子器件嵌入从医疗设备到超音速飞机等各种平台的终端用户公司(如:波音公司、通用汽车公司等),以及斯坦福大学、哈佛大学、麻省理工大学等前沿研究机构。新研究所将重点关注柔性混合电子制造业方面的前沿研究,利用高性能的装配和打印技术,在可延展或可穿戴的平台上集成各种硅电路和传感器。

        柔性混合电子技术的主要应用包括:①通过可穿戴的电子信息装置,监控生命体征和身体状态,以优化保健和生活方式方面的决策;②通过生物标志和植入装置,大幅改善医疗技术的交付,监控慢性病患者及作战士兵的生命体征;③通过嵌入式传感器,监控恶劣环境下运行的汽车、飞机的状态;④通过在各种陆基、海基、空基、天基系统上应用轻质机器人及下一代成像和传感器能力,提升军事行动的安全性;⑤通过与飞机及其他载具平台外形贴合的电子设备,或者将电子设备集成到衣服和织物中,大幅减小电子系统模块的尺寸和重量。

        在美国各个创新中心中,NextFlex是一个非常值得关注的领域,因为它的研究方向、产业应用与每个人密切相关,包括了人体健康监测的可穿戴设备应用、物联网的传感器,当然也包括了阵列天线的集成应用。因为这个在中国同样高速发展的产业,包括华为、小米等都关注于手环这类智能个人电子产品应用。当然,你现在见到的手环都弱爆了,那不过是幼稚园的礼物。未来NextFlex所展示的方向,不仅迷人,而且市场极大,值得关注。

 

一.弯弯的宝剑

  要了解NextFlex在干什么,就得先了解什么是FHE柔性混合电子(Flexible Hybrid Electronics)。这是一种在柔性材料上通过印刷方式制造电子线路板的方式——这与传统的化学刻蚀方法有很大的不同,从而实现折叠、柔性弯曲的电子设备应用。

图1:柔性混合电子的结构组成来源:NextFlex官方网站

  毫无疑问, FHE首先是应用在可穿戴设备上。

图2:FHE的应用-人体健康监测应用

  

图2可以显示FHE产品用于人体健康监测,包括脉搏、体温、压力等,可以根据需要安装相应的传感器,当然,也可以安装于身体的其它部位。

图3:在军事的应用-可穿戴设备

要是用在士兵身上,那就就是《钢铁侠》所钟情的礼物了。

图3中显示了在士兵的可穿戴设备上提供诸如红外监测、图像传输,为了制造方便可以与头盔、服装进行较为紧密的结合。

图4:FHE的应用市场及潜力

  至于更加宽泛的领域,则其市场潜力主要聚焦在柔性显示材料、照明、传感器、智能系统等。这些列举,还不过是柔性混合电子的原材料和器件的应用市场,而由此形成的应用市场潜力则会更大。

  

二.美国制造创新中心正在玩

  美国国家制造业创新网络(NNMI),是致力于美国科技成果转化的一张大网(参见《美国制造创新网络》术语解读)。柔性混合电子创新研究院,成立于2015年8月,是美国第七个创新院。

图5: NextFlex MII成立大会

  NextFlex会员可以说是群星荟萃,包括波音、GE、通用技术等众多企业以及大学、联邦机构构成了生态系统共同来解决FHE所遇到的问题。

图6:NextFlex的成员构成

  NextFlex的使命,主要包括以下几个方面:基于现有存的网络在FHE创建最佳团队构成的伙伴关系,从而可以吸收并促进整个国家已经在行业、大学和非盈利机构的有显著影响力的机构。

  显然,它需要催化一个电子制造生态系统开发。这种新形式的电子集成了超薄芯片及印刷的功能器件如功率、通信、射流以及生物传感到一个柔性系统,可以被弯曲、折叠、拉伸和展平;同时组建并领导一个网络节点聚焦于FHE相关的制造技术,通过中心协调所有能够为电子原型安装、性能和可靠性测试以及通信路径创建活动。

  它积极地推动美国的大学和研究机构转化并申请研究活动:在半导体和设备包装、印刷电子、纳米材料和微电子即Fluidic系统研究活动从MRL/TRL 4-7,同时参与内部沟通过程。

图7:NextFlex的使命

  

最后,它可以为国防部DoD和商业最终用户访问低容量的生产设施——这一点是不是很棒?中小企业也可以充分使用这些昂贵的设施。

  而事实上,NextFlex的使命与其它NNMI的MII一样,三大主线:商业化、生态系统与劳动力开发,无论其表现形式如何,其本质仍然是有效的执行这三大战略主线。

  

三.NextFlex路线图

NextFlex提供了非常完整的发展路线图。其聚焦领域,主要体现在灵活的混合电子(FHE)描述相结合的灵活的高性能组件技术(如柔性硅CMOS微处理器)与印刷组件(例如,互连,传感器,或微流控通道)对非传统基板(例如,聚合物和织物),可以弯曲,弯曲,拉伸,和/或折叠。

 

图8提供了一个通用的FHE设备示意图。而不是传统的电子产品是基于刚性电路板,包括脆弱的部件需要保护包装、速度的目标是使符合车辆、设施的形状的电子产品,或我们的身体在本质上更有弹性。

 

图8:NextFlex的技术路线图规划

  

NextFlex主要集中在四个技术领域:人体健康监测系统、资产管理监测系统—主要是指在IoT领域的应用,集成的阵列天线和软机器人。

  这些技术在军事和商业这些设备可以几乎无限的应用。

  不同于许多美国国防部资助的机会,在基础研究或应用研究的重点,NextFlex寻找并弥补FHE制造科学与工程技术的间隙,将实验室环境(MRL4)到生产系统、子系统或生产相关环境的组件(MRL7)的成熟制造进行缝合。

  NextFlex通过发布Project Call—项目召集方式来进行项目的发布、申请、审核、执行、验收整个流程,NextFlex的成员均可申请由NextFlex官方发布的项目,这些项目的申请有标准的申请Proposal模板参考,由成员申请。

在第一轮项目征集中,PC1.0的主题为人身监测系统制造和资产监测系统制造;而在第二轮项目中,可以发现在NextFlex所定义的技术挑战中的问题都会被列入到项目的申请计划中。例如PC2.1-8的主题包括为FHE所设计的超薄芯片安装、可穿戴性能监测器的实效模式分析等。

 

四.FHE对传统产业的升级启发

  柔性混合电子的应用范围非常广,这个也是值得投资的方向,在这个方向的投资有几个好的意味:

  (1)使得传统的印刷机械能够在新材料挤出上进行业务延伸

  传统印刷机械都是以纸张、薄膜为主要材料,是一个非常传统的行业,也因此,在很多时候被认为是一种夕阳产业,但是,包括柔性混合电子、锂电池等新兴产业的发展,使得印刷机械赋予了新的生命力,可以继续得到发展,只是材料由纸张、薄膜转变为柔性材料,油墨也由矿物质与化学材料混合变为了金属材料。

  (2)电子制造技术变得更加高效

  传统化学刻蚀方法制作电子PCB板的过程往往需要耗费较多的时间,其PCB板制作的速度会受到限制,而柔性混合电子则可以通过高速的印刷机(可以达到数百米/分钟)来印刷,这样可以大大提高产品的生产速度和效率,而且,成本更为低廉。

  在塑料薄膜上进行印刷可以获得更低的成本,而且对于传统的印刷机产业而言,通过FHE可以获得新的市场机会,当然,对于油墨厂商而言则是全新的产品系列。

  为什么跨界,往往最容易形成创新?因为跨界的地方往往是一个市场的空白;跨界的地方往往会延伸出一个新的机会,通过技术的融合解决了原有无法克服的问题,制造了新市场,例如:采用印刷技术来印刷线路板,比化学刻蚀速度更快。

  在一个领域里的困难可能在另一个行业里是一个简单的工作;我们经常会发现,由于某个领域里过于专注于自身的工艺,而按照传统的工艺来进行的生产遇到的瓶颈使得其无法解决,进而造成产业无法快速成长,但是,来自于另一个领域的技术却可以轻松解决这一问题,提升了效率。

  还有一种可能,就是获得更低的成本效益。例如:工业自动化领域之所以将以太网引入产业作为总线,就是因为以太网本身在消费市场已经非常成熟,其芯片成本极低。并且更重要的是,有无数的公司企业已经在这个领域投入前期研发,并降低了成本。

  小记

  在一个创新中心中,包含了终端用户并成为需求的主导者。这非常重要,他们最了解消费市场,对产品提出需求,而对于设计与研发而言,产品设计如果能够得到用户的直接反馈,是最为高效的方式。显然,终端用户是生态链条里最为强大的公司,在NextFlex MII里波音飞机公司具有最为苛刻的要求,也是具有最前沿的应用,可以不断挑战供应商的产品设计。

注:本文为南山工业书院美国创新中心研究组的研究成果一部分,致力于研究美国制造创新中心群的建设过程中的运行机制和发展方向、以及技术路线图的建设。涉及领域包括增材制造、数字制造、智能制造、光电集成、智能纤维、宽频半导体、柔性混合电子、复合材料、轻质材料、机器人、高级工艺、生物医药制造等14个方向。相关内容集结在《美国制造创新研究院解读》一书,得到中国电子产业信息研究院的大力支持,近期即将由《电子工业出版社》出版,敬请关注。涉及到如何创立产业联盟、运营创新中心、选择产业链布局的话题,欢迎一起交流。