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轻量化 | 弗劳恩霍夫应用研究促进协会调研报告

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作者 : 中国（德国）研发创新联盟

更新时间 : 2022-11-01 22:31:00

轻量化｜弗劳恩霍夫应用研究促进协会调研报告

背景

中国（德国）研发创新联盟自成立以来，一直努力促进中德两国科技创新交流与合作。在迎来中德两国建交50周年和联盟轻量化专委会成立之际，联盟正式推出《联盟调研》。《联盟调研》通过系统地介绍德国国家科学与工程院（acatech）、马克斯•普朗克学会（MPG）、亥姆霍兹国家研究中心联合会（HGF）、弗劳恩霍夫应用研究促进协会（FhG）和莱布尼茨科学联合会(WGL)五大骨干德国国家科研机构，了解德国创新思维、创新理念、创新技术、创新团队和创新成果，更进一步推进中德两国的科技创新合作。

弗劳恩霍夫应用研究促进协会概览

弗劳恩霍夫应用研究促进协会（以下简称协会）是德国也是欧洲最大的应用科学研究机构，成立于1949年3月26日，以德国科学家、发明家和企业家约瑟夫·弗劳恩霍夫（Joseph von Fraunhofer, 1787-1826）的名字命名，总部位于德国慕尼黑。协会优先考虑与未来相关的关键技术，并将其在商业活动和工业中的价值实现，这样的做法在创新过程中发挥着重要作用。协会目前在德国各地拥有76个研究所和研究单位，超过3万名员工，员工主要为科学家和工程师。协会的76家研究所和研究设施以主题为向导进行组织，构成了9个科研联盟，他们分别是：能源技术和气候保护联盟、资源技术和生物经济联盟、信息与通信技术联盟、创新科研联盟、健康科学联盟、光和表面技术联盟、材料与组件材料联盟、微电子技术联盟和生产制造技术联盟。

研究联盟详情解析

1. 能源技术和气候保护联盟

气候保护和将能源系统转换为可再生能源，在世界范围内变得越来越重要。能源系统的转型需要创新，以建立证成本效益、安全和环保的能源供应系统。该联盟致力于技术的开发与创新，用于其成员机构中的可再生能源的产生、分配、储存以及有效利用。

研究领域:

能源的开发和表征：风能、太阳能、水能和地热能
能量转换（开发、测试及检验）：风力发电厂、光伏电站、能量转换器（热能、电化学能、机械能和生物能）
储能（储能系统的开发、测试和分析）：电池、储热碳捕获和转化技术
能量分配（系统分析、开发和仿真）：耦合能源基础设施、能源网和能源社区、电网
能源利用（系统分析、开发和仿真）：能源效率与工业流程、系统集成、能源系统的数字化和经济、监管和技术管理

2. 资源技术和生物经济联盟

弗劳恩霍夫资源技术和生物经济联盟由四个弗劳恩霍夫研究所组成，旨在为实现德国、欧洲和国际可持续发展目标做出决定性的贡献。它实施了关于资源效率、生物经济、循环经济以及价值周期主权的概念。该联盟的愿景是："可持续资源经济和健康环境的系统合作伙伴"。在此过程中，联盟遵循的使命是开发生物技术、工艺工程、循环和系统解决方案，对自然资源及其使用进行负责任的管理。其中包括原材料和能源供应，气候和环境保护。

3. 信息与通信技术联盟

信息和通信技术联盟是欧洲信息与通信技术领域最大和最重要的应用研究组织。它为经济和社会的发展提供了关键技术力量，以应对全面数字化带来的机遇和挑战。弗劳恩霍夫信息与通信技术联盟拥有丰富的科研资源，业务涵盖了非常广的技术领域。联盟旗下的研究所在信息技术，数学以及通信技术领域为德国及国际信息技术供应商、信息技术用户尤其是中小型企业提供从基础科研到实际解决方案的强大技术支持。此外，通过倡导高水平的跨学科合作，弗劳恩霍夫信息与通信技术联盟积极规划和开展促进经济和社会发展的前瞻性课题。该联盟与各行业协会、科研组织及政府机构之间展开密切合作，并积极参与公共事业和人才培养。

研究主题:

数值软件与仿真
可用性和人机交互
可靠的网络物理系统
IT安全和安全
数字网络和互联网
图形和媒体技术
图像采集和评估
大数据管理和分析
自动化技术与工程

4.创新科研联盟

全面了解各项创新技术间的复杂关系和相互作用，对于经济，政治和社会的发展至关重要。因此必须尽早洞察行业、市场和技术领域的变化，以便在经济、技术、社会、政治以及文化方面积极地做出长期规划。弗劳恩霍夫创新科研联盟将社会与经济，社会与技术完美融合，致力于和科研、技术及创新领域的专家展开对话与合作，共同促进创新技术发展

研究主题:

创新系统设计
技术发展中的社会经济层面
战略性和前瞻性科研计划
系统优化人力、组织和技术
技术和创新管理
技术预言
研究成果的转移和应用

5. 健康科学联盟

健康研究是未来创新方向最多的领域之一。该领域的技术创新必将为社会的未来提供保障以及对居民能够承受健康相关的支出做出巨大贡献。弗劳恩霍夫健康技术联盟由六个在医学、药学、医疗技术和生物等领域拥有先进技术和能力的研究所联合组成。联盟内部沿着四大主题--数据、设备、诊断、药物的高度跨学科性使其有可能解决面向未来的创新问题，并为健康研究和患者实现显著的附加价值。

6. 光和表面技术联盟

表面技术和光子学是协会的两个核心竞争力，其复杂性一方面在于表面技术对于制造光学和光电组件品的重要性，另一方面在于激光技术对表面技术生产和测量过程的重要性日益提高。两者都是关键技术，随着技术的进步，它们被广泛地用于制造应用，光学传感器，信息和通信技术以及生物医学工程领域等大量应用中。该联盟的核心能力包括开发用于广泛应用的层系统和涂层工艺，表面功能化，开发束源，开发微光学和精密机械系统，材料加工和光学测量技术。

研究主题:

层和表面技术
光束源
微技术和纳米技术
材料加工
光学测量技术

7. 材料与组件材料联盟
弗劳恩霍夫材料研究涵盖了整个价值链，从新材料的开发和对现有材料的改进，到工业规模的制造技术，性能表征和操作性能评估。这同样适用于由材料制成的组件及其在系统中的行为。数学建模和仿真的实验程序和方法相互补充。该联盟涵盖了由可再生原料生产的金属，无机-非金属，聚合物和活性成分的全部范围。
研究主题:

健康
能源&环境
移动，建筑&居住
机械制造与设备制造
微系统技术
安全

8.微电子技术联盟
弗劳恩霍夫微电子技术联盟成立于1996年，联盟位于柏林的业务办公室负责组织和协调16个成员研究所之间以及研究所与外界科研、商业和政治机构的各项活动。利用其多年的经验和技术专长，为智能系统提供研发服务。此外还负责联盟战略的制定和监督，以及跨研究所的公共关系管理。
基于各研究所的科研实力，联盟的核心竞争力在于智能系统设计，半导体技术，能源供应的电力电子和系统技术, 高频和通信技术，传感技术，质量和可靠性以及系统集成。综合各研究所的技术优势，弗劳恩霍夫微电子技术联盟能够面向more-Moore和more-than-Moore方向提供行业针对性的，全面的及定制式的解决方案。
研究主题:

智能健康生活 - 个性化的电子辅助功能
高效能源系统 - 迈向 “All Electric Society”
移动出行与城市化 - 城市生活质量
工业自动化 - 走向工业4.0
从CMOS到智能系统
信息和通讯
治安和安全

9.生产制造技术联盟

弗劳恩霍夫生产制造联盟是一个由弗劳恩霍夫12个研究所组成的联盟，旨在共同开展以生产为导向的研究和开发，以便能够通过汇集各个研究所的不同能力和经验，为工业、贸易和服务部门的客户提供全面、整体的问题解决方案。弗劳恩霍夫生产制造联盟利用生产和工程科学以及计算机科学的最新成果，可以提供一系列涵盖整个产品生命周期以及整个价值链的服务。
研究主题:

产品开发
制造技术
制造系统
生产过程
生产组织
物流技术

研究领域

1.生物经济
全球人口不断增长、气候变化、资源减少和农业用地流失共同构成了全球挑战，只有通过对可持续价值创造的新认识才能克服这些挑战。这种转变要求我们抛弃基于化石燃料开发的经济模式。相反，我们需要转向基于生物的生产、工作方法和生活方式——生物经济。协会的研究人员研究生物系统，并将他们的发现与创新技术相结合，为可持续的生物经济开发开创性的技术。他们努力在技术中使用天然的材料、物质流、结构和原理，并将其引导到循环生产模型和混凝土产品中。例子包括从可再生资源中开发高度稳定和弹性的材料，基于弹性生态系统模型重塑移动和能源系统，以及用基于细胞的智能测试系统替代医学中的动物测试。
为了创造宜居的未来，人类需要在环境问题与企业和社会利益之间取得适当的平衡。生物经济是向可持续和气候中和经济体系过渡的关键驱动力。它为保护资源和制定可持续解决方案开辟了潜力。

2.生物医疗
超过一半的弗劳恩霍夫研究所和研究机构涉及健康研究的四大领域——药物、诊断、设备和数据。许多创新出现在医学科学、自然科学、计算机科学和工程学之间的交界处。协会强调跨学科研究，为健康研究的密切合作以及造福患者的成本智能精准医疗提供了完美的环境。
德国稳步增长的医疗保健支出需要成本智能的创新，这是科学学科交叉融合的结果。新颖、具有成本效益的想法只有在新的协作形式下才能转化为具体的应用。在这种情况下，药物、诊断、数据和设备这四个主要领域之间的合作至关重要。目前，只有开展面向应用的研究并以高度跨学科的方式运作的组织，例如弗劳恩霍夫研究所，才能涵盖成本效益创新所需的技术学科范围。
该领域研究重点是扩大德国和欧洲的医疗产品和设备供应主权，提高医疗数据的可用性，解码免疫系统和定义跨学科翻译周期，以加快创新医疗产品和设备的适用性。由于在老龄化背景下的人口、成本压力和熟练医疗保健专业人员的短缺，我们的研究还侧重于自动化医疗保健提供，以保证护理质量，为人际互动腾出更多空间，并减轻员工的压力。

3.人工智能
人工智能 (AI)、认知系统和机器学习在我们的社会和经济转型中发挥着关键作用。协会正在其多个研究所开发关键的人工智能技术和应用程序。这些研究为开发安全、可信和资源高效的人工智能技术做出了重大贡献，这些技术与公司和整个社会的现实需求紧密匹配。
人工智能系统不会接管世界——但它们将在工厂、办公室和人们的日常生活中承担越来越多的任务。从控制自动驾驶汽车和进行医疗诊断到保护大家免受网络攻击，人工智能将从根本上改变并造福众多行业。这使得人工智能和相关技术成为最重要的数字前沿主题之一--这将在社会和经济的持续转型中发挥关键作用。
世界各国都发现了人工智能作为战略资源的潜力，并正在竞相开发能够赋予它们战略和经济优势的技术。那些未能在该领域发展自己专业知识的人将依赖于数据保护、安全性和算法透明度标准可能较低的提供商。这种情况可能危及德国和欧洲的技术主权和竞争力。协会的众多研究所已经在开发适用于所有行业的人工智能技术——从汽车解决方案和医疗技术到无损检测。所有这些努力背后的指导力量是创建安全、可信和节能的系统，将专家知识与数据驱动的机器学习相结合，使人工智能算法更加透明。

4.下一代高性能计算
计算机已经在我们日常生活的方方面面变得无处不在——而这种数字化转型正在创造大量新的商业模式和创新。随着应用场景数量的增加，我们对软件和硬件的要求也在增加。然而，传统的计算技术正在逐渐达到速度、性能、小型化和能源效率的极限。下一代计算机旨在解决这一困境。从基于量子和神经形态的计算机到下一代微电子元件，弗劳恩霍夫正在推动下一代计算机的硬件和技术的发展。
现在面临的挑战很明确：为了保持和提高其创新能力，高性能计算技术必须在具有战略意义的关键技术领域实现全面的掌握。本世纪最重要的创新驱动力是工业 4.0、机器学习、人工智能、云计算和边缘计算。当今的计算机技术和 IT 架构正在努力满足我们对能源消耗、数据处理和传输速率的新要求。这个问题只能通过新的计算原理和架构来解决。
弗劳恩霍夫的研究人员目前正在开发的解决方案包括可信计算、神经形态计算和量子计算。他们所有努力的目标是开发值得信赖的、高性能、资源高效的硬件和软件，以加强德国作为工业和技术中心的弹性和安全性。可信计算旨在创建能够保证极高且以前无法实现的信任级别的下一代信息系统。神经形态计算使用人脑作为硬件和计算平台、半导体技术、芯片设计、架构和算法的模型，以提高计算系统的性能和能源效率，包括移动和边缘应用程序。量子计算机可以处理高度复杂的计算，即使使用传统的超级计算机也几乎不可能执行。这使得相应技术和算法的开发不仅对弗劳恩霍夫至关重要，而且对德国和欧洲也是如此。
意识到保持德国和欧洲竞争力的必要性，弗劳恩霍夫寻求推动高科技领域的发展和系统解决方案，在微电子和纳米电子、算法和材料研究的整个价值链中汇集专业知识和资源。

5.量子技术
量子技术在测量技术、成像、安全通信和高度复杂的计算领域开辟了全新的开发的应用。因此，它们具有很高的潜力。近年来，科学家们在量子研究方面取得了惊人的突破。弗劳恩霍夫量子研究的目标是尽快将基础研究转化为应用，例如以高精度传感器系统和安全量子通信的形式。
量子物理学是许多现代技术的基础。数十亿个电子晶体管渗透到我们的工作和家庭生活中，从电脑和智能手机到现代汽车的控制系统和看似简单的厨房用具。无数的光子和光纤连接着我们星球上最偏远的角落。科学家们已经在谈论基于对单个基本粒子或小粒子群的有针对性的量子力学控制的“第二次量子革命”，这将引发科学、商业和社会的颠覆性变化，从医学、物流和金融部门到材料科学、IT 和安全领域。
在罕见的共识中，专家们一致认为，量子技术是一种改变游戏规则的技术，有望改变世界。量子光学技术可以让我们看到我们以前从未见过的过程和结构。量子计算机可以执行高度复杂的计算，这在其他计算方法中几乎是不可能的。除了提高我们对分子行为方式的理解之外，这还可以帮助我们更有效地设计药物并更便宜地生产它们。弗劳恩霍夫涉足量子技术的所有关键领域。

量子成像：量子成像将在光学的所有领域产生深远的影响。它将消除生物医学成像和医学诊断、安全技术和自动驾驶等不同领域的现有盲点。
量子通信：数字主权和数据安全对于数字社会的良好运作至关重要。量子通信将安全性提升到一个全新的水平。协会目前正在开发基于量子的加密程序，这在未来将使传输的数据无法被窃听。
量子传感器：量子传感器为医学界提供了新机遇。量子世界中的测量不仅可以使用光子进行，还可以使用电子进行。协会正在使用这些微小的粒子来开发超精密的量子传感器。
量子计算：协会和 IBM 正在将第一台商用量子计算机作为开放研究平台带到欧洲。他们的目标是刺激和支持德国在应用量子计算领域的研究。

6.资源效率以及气候技术
世界的自然资源是有限的。然而，不断增长的全球人口正以越来越快的速度消耗它们。这导致竞争加剧和价格上涨，尤其是石油、钴和稀土等资源。同时，开采自然资源会造成环境破坏，例如温室气体的排放，空气、水和土壤的污染，以及生物多样性的下降。
一个社会只能通过学习在保护环境的同时有效利用自然资源来确保可持续的未来。除了开发资源和节能技术外，协会的研究人员还帮助合作伙伴采用更全面的价值链观点。他们努力支持从在全球占主导地位的线性经济系统向循环材料流动的过渡，例如通过促进塑料的再利用，在此之前其中大部分塑料仍被焚烧或流入土壤和海洋。为此，专家们寻求建立和扩大可持续生产的方法，以引发深层次的社会和经济变革。他们的重点包括可持续增长战略和影响所有价值创造领域的持久效率。部门耦合是这方面的另一个关键研究领域。专家们希望它在实现气候目标方面发挥关键作用，并帮助德国达成到 2030 年实现气候中和的目标。这个想法是在运输、工业和热力部门稳步地用可再生能源取代化石燃料。部门耦合有可能在不断发展的能源系统中创造新的商机并使其得到显著优化。
科学家们希望这将为当今社会面临的一些基本挑战提供新的、灵活的答案，例如资源和能源消耗、气候变化以及人类与自然之间的长期关系。

7.氢能技术
氢技术在工业向可持续价值创造的转变中发挥着越来越重要的作用。它们构成了战略计划的关键部分，以保障德国作为工业中心的可持续发展。弗劳恩霍夫的专长包括材料、系统及其在工业、交通和能源领域的生产和使用。它还涵盖了安全和使用寿命等跨学科主题。
德国致力于《巴黎协定》，该协定旨在将全球变暖限制在2°C 以内，为了实现这一目标，需要下大力气实现广泛的去化石化。二氧化碳排放量的可持续减少只能通过扩展和增强二氧化碳中和技术并将其广泛使用来实现。在这种情况下，氢技术不仅在移动性方面，而且在工业方面也可以发挥重要作用。除了作为能量载体外，氢还可以用作化学原料。这使其成为缓解气候变化和确保德国未来成为工业中心的重要工具。
没有时间可以浪费在为气候中和目标去奠定基础的氢经济上。这对于实现我们的气候目标以及为我们的经济向氢时代过渡做好充分准备至关重要。在将氢技术付诸实践时，政府和行业依赖弗劳恩霍夫协会作为关键战略合作伙伴。多年来，协会的专家将他们在这一关键研究领域的专业知识应用于众多成功的项目中，他们的技能有助于推动科学解决方案的发展和商业化。
氢技术市场在全球范围内才刚刚开始增长。作为拥有大量工程师并在工厂建设方面有较多经验的国家，德国仍有机会在该领域发挥领导作用。协会将利用他们的技能和知识，顺利地将这项技术转化为实践，并提高德国的竞争力。

8.数字化检测系统对疾病的预警
COVID-19 危机使政界与公众强烈意识到数字化对医疗保健行业的重要性。在此背景下，欧盟委员会于 2021 年 4 月 1 日成立了欧洲健康与数字执行机构 (HaDEA)，以更好地应对当下与未来的挑战。总体而言， HaDEA 将在未来 7 年管理价值 200 亿欧元的研究和创新项目。
尽管如此，数字健康领域可以基于一系列相关研究和创新项目，用于例如老年人或慢性病患者的远程监控或健康保健领域。其中，患者的远程监测领域受到了特别关注，在大流行情况下更是如此。对患有心力衰竭的病人可以通过人工智能（AI）的帮助定期测量体重、血压、脉搏和血氧饱和度，以预测患者何时有进入心力衰竭急性失代偿期的高风险。此外，项目也正在为糖尿病患者或慢性阻塞性肺病 (COPD) 患者开发基于人工智能的分析工具，以便及时发出警告或建议。监测系统也独立于特定疾病而存在，以便能够及时识别危险情况，比如借助可穿戴设备、智能体重秤、智能马桶甚至营养应用程序和智能奶瓶来持续监测健康状况。聊天机器人或基于文本的应用程序可以提醒人们定期服药，根据传感器数据推荐更健康的生活方式或者识别异常模式并警告危险情况等。物联网设备的组合，如烟雾和水探测器、运动探测器和智能插座，可用于识别独居老人的危险情况和异常行为模式，并及时通知家人或护理人员。此外，市场上已经有数款应用程序可以通过视频通信实现虚拟医生就诊，包含电子治疗计划，并可以显示各种传感器数据。这些应用程序不仅在大流行期间用于非接触式医患讨论，还可以帮助患者以更加自主和负责任的方式处理自己的健康问题。社交机器人也存在试点项目：这些机器人会询问患者的健康情况，提供认知训练任务或夜间监控任务——例如可以接管养老院的类似工作。现在已经为痴呆症患者的亲属开发了相当数量的数字培训与教育计划，例如学习如何与痴呆症患者相处，以及关注他们自己的（心理）健康。欧洲则开发了一些，特别是针对 COVID-19 的，应用程序，例如借跟踪接触者、隔离管理、借助传感器数据和问卷方式作为症状检查器来检测严重疾病。
在COVID-19之后，数字健康技术仍在继续发展--不仅使患者受益，还将服务于卫生系统，例如在临床决策支持系统的帮助下，帮助清晰地呈现患者信息，提出行动建议，提高日常工作效率，避免人为错误，最终节省医疗成本。总而言之，新成立的健康与数字机构为未来7年设定了雄心勃勃的目标，这将进一步推动健康领域的数字化。

预算数据

弗劳恩霍夫应用研究促进协会2021年度总研究经费为29亿欧元。其中大约86%的经费，约25亿欧元来自于合同研究，这也是协会研究活动经费的主要来源，这其中三分之一来自于联邦州和政府提供的研究合同资助。常规基础资金之外的长期研究成果被汇总为额外研究资金，达到了1.63亿欧元。研究所的扩建投资达到了2.34亿欧元。

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