研制"纳米机器人什么时候问世将成为纳米科技时代的重要内容之一

　　物理学家总是模拟生物学原理制作各种灵巧的机器这就是仿生学。仿生學是生物物理学的一个分支学科它按照生物学原理提出设计原型，制造用于特殊目的的"功能器件" "纳米机器人什么时候问世"的研制属于汾子仿生学的范畴，它根据分子水平的生物学原理为设计原型设计制造可对纳米空间进行操作的"功能分子器件"。

　　事实上细胞就是┅个活生生的纳米机器。酶是细胞中种类最多和最活跃的分子每一个酶分子也是一个个活生生的纳米机器人什么时候问世。酶分子催化底物反应时其蛋白分子不同结构域之间的相对运动就像是微型人在移动和重新安排底物分子的原子排列顺序。细胞中的很多结构单元都昰执行某种功能的微型机器：核糖体是按照基因密码的指令安排氨基酸顺序制造蛋白质分子的加工器；高尔基体是给新制造的蛋白质进行修饰的加工厂；加工好的蛋白质可以按照信号肽的指令由膜囊泡运送到确定的部位发挥功能；完成了功能使命的蛋白质会被贴上标签送去被水解成氨基酸成为合成新蛋白的原材料细胞的生命过程就是这样一批又一批功能相关的蛋白质组群不断替换更新行使功能的过程，这些生命过程所需的一切能量来自太阳植物叶子中的叶绿体是利用太阳能制造粮食的加工厂；线粒体是把粮食中储存的太阳能释放出来制慥成能量货币ATP的车间；我们每人每天都要消耗相当于自身体重那么多的ATP分子以支持我们的生命活动和繁忙的工作。细胞中发生的所有这一切都是按照DNA分子中的基因密码序列指令而井然有序地进行的

　　纳米技术可以仿照细胞生命过程的各个环节制造出各种各样的微型机器囚，可以预料就在21世纪很多意想不到的微型机器人将出现在人类生活的各个方面直接或间接地服务于人类。

　　制造纳米机器人什么时候问世不是从单个原子堆积做起

　　理论上讲纳米机器人什么时候问世是大量原子或分子按确定顺序聚集而成为具有确定功能的微型器件但制造纳米机器人什么时候问世不一定是从"零"开始。机器人是由零件组装而成的纳米机器人什么时候问世的零件可以是单个的原子或汾子，但是更现实的是具有一定结构和功能的原子团或分子的集合利用现实存在的功能器件组装纳米机器人什么时候问世比从一个原子┅个原子地构建机器人更为现实可行。生物分子是自然界存在的最丰富的构建纳米机器人什么时候问世的零件的来源现实可行的途径是按照分子仿生学的原理，利用大量存在的天然分子原器件设计组装纳米机器人什么时候问世。下面列举几种研制纳米机器人什么时候问卋的可能途径：

　　化学家很早就开始模拟酶分子的活性中心结构制造"模拟酶",这实际上就是在研制纳米机器人什么时候问世因为每一个酶分子都是一个活生生的纳米机器人什么时候问世。但是化学家只模拟了酶活性中心功能基团在空间位置上的配置而没有模拟出功能基團在催化底物反应时出现的动作，这种动作应当足以打开一个化学键或者合成一个化学键因此，化学模拟还有很长的路可走一旦模拟絀具有催化动作的"模拟酶"，化学合成的纳米机器人什么时候问世也就诞生了

　　2.利用分子的自组合原理装配机器人

　　生物分子在各个層次上存在着自组合的性质，利用分子的自组合特性装配纳米机器人什么时候问世是一个值得探索的途径比如构成生物膜的脂类分子是┅端亲水另一端疏水的双亲性分子，它们在水溶液中会自组合成双分子层微囊泡科学家利用这种微囊泡把抗癌药包裹起来，避免药物对囸常细胞的杀伤作用为了使包裹了抗癌药物的微囊泡能识别癌细胞，科学家利用了抗体分子对抗原分子的专一识别作用把一种专一识別癌细胞特有抗原分子的抗体分子装在微囊泡表面，如此制成的药物载体如同"生物导弹"可以专一地识别和杀死癌细胞。这不就是纳米物悝学家倡导的定向杀死癌细胞的纳米机器人什么时候问世吗?

　　3.利用生物分子作为分子功能器件组装纳米机器人什么时候问世

　　ATP酶作为汾子发动机的研究已经在西方形成热点领域日本和美国双方已经呈现出强烈的对峙竞争局面。分子发动机问世的意义决不仅仅是制造一種纳米机器人什么时候问世的动力装置而是开辟了一个新的探索领域，这个领域就是研究生物分子作为微型机器人原器件的可能性原則上所有的生物分子都是纳米机器人什么时候问世或组成纳米机器人什么时候问世的零件，生物分子的自组合性质就是零件组装的原理依據因此，开展生物分子作为纳米器件特性和组装原理的研究应当及早倡导和支持

　　呼吸链酶系是研究生物分子纳米器件和组装的好材料ATP酶在生物体内是执行能量转化的关键分子之一，它和呼吸链酶系共同组成线粒体的能量转化体系线粒体的功能是把储存在食物中的呔阳能取出来制造机体需求的"能量货币"ATP，在生物体内是呼吸链酶系推动ATP酶制造ATP如果把ATP酶看作是一部马达，那么呼吸链就如同连接马达和電源的导线与导线不同的是，呼吸链传递电子是通过几个生物大分子的氧化还原变化而实现的这些大分子被称为复合物I(NADH-泛醌还原酶)、複合物II(琥珀酸-泛酮还原酶)、复合物III(泛醌-细胞色素C还原酶)和复合物IV(细胞色素C氧化酶)，它们按照氧化还原电位的高低有序地把底物电子逐一传遞最终把电子传递给氧。作为分子马达进行研究的ATP酶实际上被称作复合物V它和呼吸链的四个复合物共同组成线粒体的能量转化体系。呼吸链四个复合物进行的电子传递是一个放能的过程放出的能量用于推动复合物V(ATP酶)制造ATP。

　　呼吸链酶系可以作为开展纳米器件特性和組装规律的典型研究材料它具备以下几方面的优点：

　　（1）呼吸链酶系一直是研究生物能量转化机制的典型实验材料。 呼吸链酶系是研究生物能量转化规律的典型实验材料国内外科学家对它已经研究了近半个多世纪。可以预言：将来制造直接利用太阳能合成面包的纳米机器人什么时候问世很可能要遵循从这个酶系统总结出来的原理和规律而进行组装

　　（2）呼吸链中的两个关键酶(复合物III和IV)都有了晶體结构解析的结果，其分子内的电荷转移中心结构清楚并有大量溶液结构研究数据可参考。

　　（3）最近我们将纯化的细胞色素C氧化酶(複合物IV)制作成固态薄膜并研究其分子内电子转移特性发现其分子内的电子传递活性依然完好，而且其电子转移规律和文献中对该酶溶液狀态研究的结果很一致有趣的是发现制成固态薄膜的该种酶，其分子内的电子传递活性具有"电子开关"的特性这为该种酶作为纳米器件嘚研究打下了基础。这种研究应该说是我们首先开始的到目前为止尚未见有过类似的文献报道。

　　（4）呼吸链四个复合物中的每一个單体酶的分子内部都有各自不同的电子转移中心它们多数是金属中心，或是某些氨基酸的功能基团研究分子内电子转移中心的相互关系和电子在其间转移和驻留的规律，有可能发现它们具有的"分子功能器件"的特性这种研究有可能打开一扇门，使我们看到很多生物分子所具有的纳米器件的特性这些知识的积累将会产生组装纳米机器人什么时候问世的新思路。

　　（5）呼吸链四个复合物可以分开制成单體酶也可以重组合制成不同的呼吸链片段，这为研究纳米器件的装配规律提供了便利

　　纳米科技时代需要新型科技人才和新的管理模式

　　研究生物分子作为功能器件以及利用生物分子功能器件组装纳米机器人什么时候问世的原理和规律是一个前瞻性的研究，这里需偠的是创新的思想和勇敢的探索以及新知识的累积要有很多新型的人才在这一方向上进行创造性地开拓，因此新型的纳米人才应当具囿多学科交叉的知识和经验。更需要一大批新型管理人才他们善于在各学科的交叉中有机地组织各方面的专家进行有效的合作。

　　20世紀初期嫦娥奔月的理想在世纪之末以宇航员登上月球的现实而得以实现21世纪制造纳米机器人什么时候问世的理想也将在纳米科技的发展Φ逐步变成现实。

第六、我国的仿人形机器人研究

　　我国在仿人形机器人方面做了大量研究并取得了很多成果。比如长沙国防科技大學研制成了双足步行机器人北京航空航天大学研制成了多指灵巧手，哈尔滨工业大学、北京科技大学也在这方面做了大量深入的工作

　　双足步行机器人研究是一个很诱人的研究课题，而且难度很大在日本开展双足步行机器人研究已有30多年的历史，研制出了许多可以靜态、动态稳定行走的双足步行机器人上面提到的P2、P3是其中的佼佼者。

　 在国家863计划、国家自然科学基金和湖南省的支持下长沙国防科技大学于1988年2月研制成功了六关节平面运动型双足步行机器人，随后于1990年又先后研制成功了十关节、十二关节的空间运动型机器人系统並实现了平地前进、后退，左右侧行左右转弯，上下台阶上下斜坡和跨越障碍等人类所具备的基本行走功能。近期在十二关节的空间運动机构上实现了每秒钟两步的前进及左右动态行走功能。

　　经过十年攻关国防科技大学研制成功我国第一台仿人型机器人——“先行者”，实现了机器人技术的重大突破“先行者”有人一样的身躯、头颅、眼睛、双臂和双足，有一定的语言功能可以动态步行。

　　人类与动物相比除了拥有理性的思维能力、准确的语言表达能力外，拥有一双灵巧的手也是人类的骄傲正因如此，让机器人也拥囿一双灵巧的手成了许多科研人员的目标

　　在张启先院士的主持下，北京航空航天大学机器人研究所于80年代末开始灵巧手的研究与开發最初研究出来的BH－1型灵巧手功能相对简单，但填补了当时国内空白在随后的几年中又不断改进，现在的灵巧手已能灵巧地抓持和操莋不同材质、不同形状的物体它配在机器人手臂上充当灵巧末端执行器可扩大机器人的作业范围，完成复杂的装配、搬运等操作比如咜可以用来抓取鸡蛋，既不会使鸡蛋掉下也不会捏碎鸡蛋。灵巧手在航空航天、医疗护理等方面有应用前景  

　　灵巧手有三个手指，烸个手指有3个关节3个手指共9个自由度，微电机放在灵巧手的内部各关节装有关节角度传感器，指端配有三维力传感器采用两级分布式计算机实时控制系统。

　　仿人型机器人是多门基础学科、多项高技术的集成代表了机器人的尖端技术。因此仿人形机器人是当代科技的研究热点之一。仿人型机器人不仅是一个国家高科技综合水平的重要标志也在人类生产、生活中有着广泛的用途。目前我国仿囚形机器人研究与世界先进水平相比还有差距。我国科技工作者正在努力向前我们热切地期盼着我们自己水平更高的、功能更强的仿人型机器人与大家见面。

　　从需求入手分析了我国急需解决的问题并针对这些问題分析了世界在这些领域的现状与趋势，讨论了国家863计划机器人技术主题在“十五”期间的工作目标和任务

　　世纪之交，世界经济结構正在发生重大而深刻的变革美国、欧盟、日本等发达国家的政府先后推出并实施了多个与机器人技术、自动化工艺装备相关的国家研究计划，以支持相关的核心技术和关键重大装备的研发与应用我国政府也非常重视机器人技术研究与开发，并在国家“十五”863计划中予鉯重点支持经过国家863计划15年的实施，我国在机器人技术与自动化工艺装备等方面已取得了突破性进展缩短了同发达国家之间的差距。泹是在机器人与自动化装备中核心及关键技术的原创性研究、高性能关键工艺装备的自主设计和制造能力、重大成套装备的系统集成与开發能力、高可靠性基础功能部件的批量生产应用等方面同发达国家相比我国仍存在较大的差距。

　　为了进一步提高我国机器人技术与洎动化工艺装备的整体技术水平进一步缩短同发达国家之间在制造业信息化方面的差距。“十五”期间迫切需要进一步加强对机器人技术与自动化工艺装备研究开发的支持，以期在战略必争装备技术与竞争前核心技术、基础制造装备与成套关键装备制造技术的研究开发等重点方向实现创新和跨越式发展赶超世界先进水平，为我国国民经济发展和国家安全建设做出更大的贡献

　　进入21世纪，世界经济結构正在发生重大而深刻的变革但制造业依然是世界各发达与发展中国家加快经济发展、提高国家综合竞争力的重要途径。

　　我国是┅个制造业大国尚处于工业化进程之中，在未来相当长的时期里制造业仍将在国民经济中占主导地位。在新一轮国际产业结构调整中我国正逐步成为世界最重要的制造业基地之一。

　　然而目前我国装备制造业的整体水平与发达国家相比尚有较大的差距尤其是在战畧必争装备技术与竞争前核心技术、基础制造装备与成套关键装备制造技术等方面差距更大，这种差距又主要体现在先进装备的自主设计與独立制造能力差成套与系统集成、优化能力差，技术创新和集成创新能力差这些差距已经成为制约我国制造业乃至其他行业经济发展的关键瓶颈问题之一。

　　随着我国加入WTO我国装备制造业从来没有像今天这样直接地面对国际同行的有力竞争和挑战。如何适应激烈嘚国际竞争和快速变化的世界市场需求不断以高质量、低成本、快速响应的手段在新的市场竞争中求得生存和发展，已是我国装备制造業不容回避的问题同时加入WTO也为我们提供了前所未有的机遇，我们必须抓住机遇迎头赶上

　　1．1 国家发展迫切需要的战略必争装备与競争前核心技术

　　战略必争装备是指那些涉及国家安全、经济命脉以及在国际经济竞争中对国民经济影响重大的装备；竞争前核心技术昰指在未来的国际竞争中有可能开拓新的广阔市场或成为新的战略必争技术。可以说战略必争装备与竞争前核心技术关系到一个国家的興衰与存亡，是一个国家安全独立和成为一个强国必须拥有的装备和技术

　　对机器人技术主题，用于国家战略资源勘探——海洋资源開发的水下作业装备和空间资源探索的空间探测器用于高精尖设备制造的超精密加工装备，面向IT等产业的电子专用制造装备对未来许哆行业将产生重大影响的微机电系统以及集当代众多高技术于一身的仿人形机器人、仿生机器人、微操作机器人等特种机器人，都是关系箌子孙后代的战略必争装备或竞争前核心技术是花钱也买不到的装备与技术，是中国要成为一个强国必备的装备与技术

　　1．2 国家发展急需的基础制造装备与成套装备制造技术

　　一个国家仅仅拥有了战略必争装备和竞争前核心技术是不够的。要想成为经济强国完成笁业化的建设，必须在装备制造业掌握有关基础制造装备与成套装备制造的核心技术2O世纪70～80年代美国制造业发展的衰落和竞争力减弱的唎子很好地说明了这一点。2O世纪70年代前美国的产品竞争力一直令对手望尘莫及，但到了80年代美国人发现日本、德国等国家后来居上，逐步取代了他在国际市场的霸主地位经过认真深入地分析，他们发现其原因是美国失去了在装备制造业方面的优势而日、德等国，特別是日本对制造技术及装备研究的投入比例远大于美国。于是从20世纪80年代后期开始开展了一系列旨在振兴美国装备制造业的庞大计划，加大了对制造业技术与装备研究的投人使美国的制造业重振雄风，也使美国经济得以逐步复苏并保持持续增长的势头

　　在世界经濟全球化的今天，虽说绝大多数基础制造装备与成套装备只要花钱都可以买到，但对我国这样的发展中大国来说必须掌握了关键的基礎制造装备与成套装备制造的核心技术，才能牢固占有国内市场并不断开拓国际市场，在竞争中立于不败之地

　　a. 对基础制措装备的需求。一个国家制造业水平的高低很大程度上取决于其基础制造装备水平的高低。据原国家机械局预测：20O5年我国数控机床市场总容量约 30 000囼中、高档市场年需求量 12 O00台，其中数控车床、加工中心（包括数控铣床）占60％约7000台。基础制造装备不仅需求量大而且对装备的技术沝平的要求越来越高，如飞机制造业中的大台面多坐标数控龙门铣床、高速加工中心、专用高速蜂窝铣等对于这样的高档专用设备，目湔主要依赖进口但这类设备是西方国家对华禁运的重点，1999年的“考克斯报告”提出要控制对华出口机床2000年美国就通过了针对中国的《控制高技术机床出口》法案。

　　b．对大型、成套装备的需求我国汽车到2005年产量可接近270万辆，“十五”期间我国汽车制造业购买生产线所需的各种技术装备初步测算就将达到600亿元；还有在电子、家电制造业，对生产线所需的数控加工装备、工业机器人、自动化物流输送系统均有巨大的市场需求

　　在非制造领域同样有着迫切的需求。未来10年我国基础设施建设将处于前所未有的高速发展阶段，将新建鐵路1万余km新建城市地铁1000km，公路建设投资 1万亿元；在水利建设方面就有130多个水电工程需要建设；国家计划的大型露天矿有25个需要开采；此外尚有“西气东输”、“南水北调”、“进藏铁路”等巨大工程。这些均将形成对大型工程、建筑机械（装备）的巨大市场需求如需偠6.3m左右，用于地铁隧道掘进的盾构机约120台（每台数千万元）

　　然而，我国对于一些大型的成套装备基本都依赖引进目前光纤制造装備的 100％，IC制造装备的85％石化装备的8O％，轿车工业装备数控机床和其他数字化机械（如纺织机械、多色胶印机）的70％以上依赖进口。同樣大型工程机械（如用于地铁隧道掘进的盾构机）也主要依赖进口，且比例在上升一个明显的例子是挖掘机，我国有挖掘机企业近2O家虽然市场需求20000台，但在国外品牌挖掘机的大举进攻下节节败退目前国产挖掘机的市场份额已剩不到5％。

　　综上所述我国国民经济囷社会发展对机器人技术和自动化工艺装备中的战略必争装备、基础制造装备和成套装备提出了迫切需求。研究开发上述技术与装备是实現我国传统产业改造升级完成工业化的迫切需要；是促进我国制造业“两个根本性转变”，实施制造业信息化工程的需要；是增强国防實力、国家安全与国际地位的需要；是实现党中央第三步战略目标的需要；是国民经济可持续发展的基本保证

　　2.1 战略必争装备与竞争湔核心技术

　　正是看到了机器人技术与自动化工艺装备中包含着许多具有战略性、前沿性和前瞻性的高技术，美国、欧盟、日本等西方發达国家对此极为重视先后推出并实施了多个国家研究计划，我国也在国家863计划中予以重点支持在此，我们对与本主题有关的若干战畧必争装备与竞争前核心技术的国内外现状与重大研究方向作简要的列举分析

　　2.1.1 水下作业装备

　　21世纪是人类向海洋进军的世纪。海洋资源是近几年国际上激烈竞争的焦点之一是各国重要的战略目标。为进行海上石油开发、海洋科学研究、海底矿藏勘探开发、海底打撈救生以及军事应用如侦察巡逻、扫雷、预警等，迫切需要进一步开发水下作业装备

　　国际公海组织规定，对有能力进行深海勘探嘚国家将有优先开采权“九五”期间，我国海洋局已利用本主题开发的 6 000m水下机器人在太平洋上勘探了3O万平方公里，并获得了其中矿产資源最丰富的7．5万平方公里的优先开采权为后人留下了一份产业，实现了以技术换资源的目标下一步联合国将对富钻结壳进行勘探，洳果没有勘探技术装备能力将失去开采权。我国在水下机器人方面虽然拥有一定的基础但与美国。俄罗斯、日本等国相比还有很大的差距远不能满足未来开发海洋的需求，我国在深海载人潜水器、深海作业机器人、12O00m海沟探测机器人等方面还有很多没有开发而必须开发嘚装备

　　信息、航空、航天，特别是国防工业对精密和超精密加工的需求是非常迫切的如导弹、航空与航天器上使用的精密陀螺仪（精密陀螺仪转子的偏心增加0.5ｕm，将引起100m的射程误差和50m的轨道误差）飞机和潜艇上使用的高精度叶片，空对空导弹上使用的红外接收器非球面反射镜航天望远镜上使用的超精密镜片等，无一不需要特殊的精密与超精密加工技术同时，精密、超精密加工技术是先进制造技术的基础和关键也是一些高新技术和某些尖端科学赖以存在和发展的基础。

　　目前国际上超精密车床主轴回转精度均已达O．025ｕm。笁件表面粗糙度Ｒa=0.01～0.02ｕm最高达0．0045ｕm。进人21世纪超精密加工的精度将达至0.001ｕm（1nm）。超精密加工尤其是纳米加工是当前各工业发达国家主攻的目标此外，超精加工材料对象由金属扩大到非金属高密度、高能量的粒子束加工工艺和装备，以三维曲面加工为主的高性能超精密加工工艺和装备以及配套的三维超精密检测技术和加工环境的控制技术等正成为进一步的发展趋势而我国在超精密加工方面尚处于起步阶段。

　　2.1.3 电子专用制造装备

　　电子制造尤其是集成电路IC制造已成为制造业最重要的领域之一预计到2O05年，我国集成电路市场总销售額将达到1000亿元这种巨大的市场需求必将拉动对集成电路（IC）制造装备的巨大需求。据预测“十五”期间我国需建IC芯片生产线30多条、IC封裝生产线15条左右。另据预测建设一条年封装能力为1亿块的IC封装生产线，装备投资约需2亿元人民币若按我国IC年需求量增长20亿块计算，则僅增添IC的封装设备每年就需4O亿元人民币

　　IC制造中的核心和关键装备包括制芯（前道工序）和封装（后道工序）2大部分。前道工序装备發展的趋势是研制新型超精细光刻机等设备以突破0.1ｕm的大关；后道装备则是发展与更密、更小、更轻的新型封装工艺相适应的更快。成夲更低的封装设备并且对整个后封装工序的各种设备以数字化封装线方式进行工艺和装备的集成。由于IC制造不仅对国民经济有巨大的影響而且对国家安全极为重要，所以一些高精密的IC制造装备成了一些发达国家垄断电子行业的核心武器国家在IC制造行业中虽有一定的基礎，也与国外合资建立了一些生产线但由于我们自己没有先进的IC制造装备，使我国的IC行业受到了很大的制约目前我国集成电路芯片制慥设备的85％仍依赖进口。为了在 IC行业占有一席之地我国必须自主开发IC制造的核心装备。

　　MEMS是国际公认的一项战略高科技是未来先进淛造发展的主导技术之一，并在医疗保健、生物基因、IT消费电子、环保监测、军事武器等器件及微系统应用方面具有广阔的应用前景例洳，作为信息获取关键的多种传感MEMS已成功地应用于汽车、电子等行业和军事领域；在令人瞩目的信息科学和生命科学的发展中光MEMS被认为昰开启全光通信之门的金钥匙；高密度MEM生物芯片将强有力地推动生命科学和生物技术的发展。

　　近几年采用MEMS技术的微型卫星、微型飞荇器和进人狭窄空间的微型机器人，也展示了诱人的应用前景现在MEMS已形成年产值14O亿美元的规模，预计5年后将达到300多亿美元的规模

　　MEM昰以电子制造的方式设计与制造的微机电系统，他是多种学科的交叉融合已成为当今国际高技术竞争的一个热点，MEMS产业也正在形成之中为此各国政府都非常重视MEMS技术，美国国防部近几年每年投人7000万美元用于MEMS研究德国也投入约7000万美元用于MEMS的研究。MEMS对我国而言是个挑战吔是一个难得的发展机遇。

　　特种机器人通常是在非结构化环境下工作即作业无法在事先布置好的条件下进行，而且在作业过程中环境可能发生变化与在结构化环境下作业的工业机器人相比，在非结构化环境下工作的特种机器人控制更加困难要求的智能程度更高，洳空间与深海作业、精密操作、在役管道内作业等

　　特种机器人集当代众多高技术于一身，目前重点研究的特种机器人有仿人机器人、微机器人、微操作机器人、水下机器人、医用机器人、服务机器人、网络机器人、军用机器人、农林与农副产品加工机器人等等将在航空航天、能源、交通、海洋、生物、医疗、服务、农业、军事和娱乐等领域具有非常广阔的应用前景。

　　正因为如此．研究和发展特種机器人技术一直受到世界各国的重视许多国家都把特种机器人技术列入本国的高技术研究发展计划或国家的关键技术研究开发计划。洳美国的“国家关键技术”、“商业部新兴技术”和“国防部和能源部关键技术”等计划欧共体的“尤里卡计划（EU-REKA）”和“信息技术研究发展战略计划（ES-PRIT）”，日本的“极限作业机器人研究计划（R ＆DOF ROBOICS PROJECT）”等新加坡、韩国、巴西等发展中国家也都有相应的计划内容。我国863計划智能机器人主题前15年工作的重点之一就是发展我国的特种机器人技术并在若干方向上取得了令世人瞩目的成就，但在总体上与国外先进水平相比还有不小的差距。

　　2．2 基础制造装备与技术

　　21世纪基础制造装备的水平主要体现在高精度、高效率、低成本和高柔性等几个方面发达工业国家数控机床的加工精度普遍已达到1ｕm的水平，有些已达到0．1ｕm国外主轴转速在10 000～20 000r/min的加工中心已普及，转速高达250 000r/min嘚实用主轴也正在研制中；直线电机的轴进给速度已达200m/mn超高速切削的研究已转移到一些难加工材料的切削加工上。高效率、高精度工艺嘚一个典型例子是精密成形技术如近/净成形（Near Net or Net Shape Form-ing）技术，其目的是尽量减少切削甚至免除切削，减少原材料的浪费同时提高制造效率，精密成形技术在工业发达国家已得到广泛应用如：美国的汽车、宇航、航空工业的模锻件、精密锻件占总锻件量的80％以上；日本汽车鍛件达到63.9％；德国达到70％～75％。柔性自动化仍是机床业发展的重要趋势之一柔性自动化的进一步发展是敏捷生产设备。为适应敏捷生产模式人们正在探求设备自身的结构重组以及生产单元的动态重组问题。

　　目前我国的基础制造装备与国际先进水平相比还存在着阶段性差距工业发达国家早在20世纪五六十年代就已普遍采用了优质高效低耗的工艺及装备，实现了柔性自动化目前正向集成化、敏捷化方姠发展。而我国大多数企业目前还采用较落后的制造工艺与技术装备进行生产优质高效低耗工艺的普及率不足10％，数控机床、精密及高效设备不足5％现在配国产数控系统的中档数控机床还不到25％，高档数控机床的 90％以上依赖进口数字化机械（如纺织机械、多色胶印机）的 7O％以上依赖进口。

　　归纳起来目前国产基础制造装备普遍存在着“四差”问题，即可靠性相对差、成套性差、外观质量相对差、洺牌效应差从而严重影响了企业的生产效率、产品质量以及产业化规模的提高，同时也严重制约了制造业及其相关行业的发展

　　2．3 荿套关键装备与技术

　　国外在大型、成套装备方面有很大优势，并且在成套装备的高技术化方面取得了巨大的进展，已经实现了数控囮、柔性自动化并大量采用工业机器人，正向着智能化、集成化的方向发展

　　据统计，中国工业装备整体技术水平落后国际水平1O～15姩制造业与自动化技术落后15～20年，装备中工业机器人数量极少数控化比例很低（5％），尚处于单机自动化和刚性自动化阶段现有成套装备中技术经济性能比较先进的只占1/3，近1／5已经老化超期率近4O％。装备落后导致产品普遍档次低、质量差，已成为制约制造业发展嘚瓶颈

　　面向非制造业的成套装备，如各种工程机械、建筑机械已成为当今国际自动化技术发展的一个重要方向目前国际工程机械嘚发展正逐步向机。电、液、讯一体化的方向发展欧洲由产、学。研组成的联合研究团体在政府资助下在深入开展单体智能化技术研究的基础上，开始了机群智能化技术研究和开发标志着工程机械智能化的研究又向前迈出了一大步。

　　我国工程机械正在完成机械液壓一体化的进程应用信息技术进行工程机械智能化方面的研究还处于起步阶段。对个别机种的单机智能化研究已经开始并初步得到实際应用。但是从整体上看无论从单机智能化工程机械种类，还是研究和开发的深度与技术先进国家相比都还存在很大的差距，机群智能化技术的研究还处于空白

　　3.1 主题总体战略目标

　　主题发展的战略目标是围绕制造业信息化工程的关键技术与装备，以重大专项与偅点课题为主线研究开发基础技术、单元产品和系统装备，掌握战略必争装备关键技术及竞争前核心技术增强自主设计与制造重大关鍵设备的能力，提升制造业基础装备的水平取得一批具有自主知识产权的创新成果，实现机器人技术与自动化工艺装备的跨越式发展

　　主题研究内容分为重大专项与重点课题、一般课题2部分。重大专项与重点课题着重解决国家发展急需的战略必争装备、基础制造装备與成套关键装备中的某一重大问题增强自主设计与制造能力、产品成套及系统集成能力，提升装备制造业的水平一般课题（即前沿探索性课题）围绕国家发展急需的战略必争装备、基础制造装备、成套关键装备与竞争前核心技术中的某一问题，进行前沿探索性研究强調原始创新，增强装备制造业的产品创新和技术创新能力增强技术储备。

　　3.2.1 重大专项与重点课题

　　重大专项与重点课题是主题工作內容的重中之重“十五”期间，“机器人技术主题”的重大专项是深海载人潜水器与微机电系统（MEMS）重点课题是数控关键技术装备、铨断面隧道掘进机、智能化工程机械防人形机器人以及水下机器人、（基因）微操作机器人等特种机器人，其目标与指标以及其作用与影響（预期成果）分别分析如下

　　a．7000m载人潜水器。根据该载人潜水器用户（业主）中国大洋协会勘查深海锰结核、富钴结壳、热液矿硫囮物和深海生物等资源的计划目标及要求计划到2005年完成一台采用多种高新技术。新材料和新工艺集成起来的拥有自主知识产权的7 000m载人潜沝器使其总体技术指标达到国际领先水平。该潜水器将在21世纪我国研究开发国际海底资源的伟大事业中发挥不可替代的重要作用并可姠世界展示我国科学技术的实力。

　　b．微机电系统（MEMS）针对国际MEMS发展趋势和未来的产业化前景，结合国家竞争前核心技术发展战略圍绕我国医疗保健、生物基因、环保监测、IT与家电等行的社会经济发展需要，以发展我国MEMS产业化基础的关键支撑技术作为切入点掌握MEMS相關的材料、设计、制造、工艺、检测、装备与系统集成等方面的具有自主知识产权的理论方法和关键技术，开发出若干小批量、多品种、高质量的MEMS器件及微系统建立我国的MEMS研发体系和产业化基地，为推动MEMS的可持续发展和产业化打下良好的基础

　　c．数控关键技术与装备。面向国家制造业的关键基础装备产业化需求以中档精切类数控机床装备的产业化作为切入点，以机制创新和技术创新作为突破口掌握数控装备关键技术，塑造中国数控机床品牌提高市场竞争能力；根据国防工业的具体需求，设计制造高精尖精密加工装备打破国外葑锁；通过整机带动相关的机床设计、系统与伺服、高附加值关键部件以及配套工具技术创新及可靠性的发展，全面提升国家基础制造装備的核心竞争力

　　d．全断面隧道掘进机（盾构机）。设计研制适应我国典型土层的6.3m全断面盾构机完成2～3km的实际施工隧道应用示范工程、形成自主知识产权的盾构设计、制造、安装、调试等系统技术，制定盾构设计、施工的行业标准和规范体系建立土壤分析、装备设計与制造产业化基地，提高国产盾构机的生产能力

　　e．智能化工程机械。结合国情选择工业基础较好、共性技术较多和经济效益显著的工程机械产品进行信息化智能化改造升级，选择市场占有率较高、具有行业带动作用的道路施工工程机械开展在线机群智能化同步施工工程机械的研究开发和示范应用；加快我国工程机械产品的升级换代与产品结构调整，实现新一代工程机械的自主创新性设计提高峩国工程机械产品的国际竞争力，促进产业化的形成

　　f．仿人报机器人。以开发世界先进的仿人形机器人为目标突破仿人形机器人系统中的各项关键技术，研制具有自主知识产权的国际先进水平的仿人形机器人为仿人形机器人在服务、科技、军事、工业以及危险环境中的应用奠定基础，推动机械电子、控制、传感技术与人工智能等相关科学的技术革新与发展

　　3.2.2　前沿探索处课题

　　一般课题即湔沿探索性课题，是“机器人技术主题”开展前沿高技术、竞争前核心技术研究的重点目标是增强我国在机器人技术和自动化工艺装备Φ的技术创新和产品创新能力，增强技术储备

　　前沿探索性课题按研究内容分属3个专题。

　　a．制造工艺与装备专题制造工艺与装備专题（专题一）主要围绕高精度、高效益、低成本、高柔性和洁净化的制造过程（系统）对先进制造工艺与装备的要求，开展产品快速開发、纳米级超精密加工、近牌成形、特种材料加工与生物制造等关键工艺技术及装备以及其他基于先进工艺或新结构的重要装备的研究工作。

　　b．特种机器人专题特种机器人专题（专题二）主要围绕非制造业对特种机器人的复杂环境适应能力、可靠性、智能化等要求，开展水下机器人医用机器人、（基因）微操作机器人、仿生机器人、服务机器人、网络机器人、管道机器人、农林机器人等方面的關键技术及原型样机研究工作。

　　c．基础部件及系统专题基础部件及系统专题（专题三）主要围绕高速度、高精度、数字化、智能化笁艺装备的需求，开展检测与传感器信息融合技术、智能控制与远程操作、先进功能部件、新型数字化驱动系统、高速高精度动机构、开放式结构的网络化控制器等先进基础部件及系统研究工作