77、先进制造创新生态系统：马萨诸塞州案例解析

先进制造创新生态系统：马萨诸塞州案例解析

1. 引言

近年来，制造业对美国经济健康和未来增长的重要性再度受到关注。先进制造业对于各行业开发新产品和新流程至关重要，失去相关能力可能导致产业重心转移。马萨诸塞州的制造业虽仅占就业的 9%，却在航空航天/国防、半导体和计算机、生物制药以及医疗设备等重要产业中不可或缺。

中小企业（SMEs）在美国和马萨诸塞州的制造业中扮演着关键角色，它们是产业能力的“支柱”，为大型原始设备制造商（OEMs）和创业公司提供支持。然而，麻省理工学院的研究指出，中小企业在全球竞争和创新方面往往孤立无援。大公司的垂直整合程度降低，将生产外包，切断了对中小企业的创新和研发支持。因此，加强区域创新生态系统，填补产业生态中的“漏洞”，对提升马萨诸塞州制造业的竞争力至关重要。

2. 关键术语定义

• 物联网（IoT） ：基于现有和不断发展的互操作信息通信技术，将（物理和虚拟）事物相互连接，实现高级服务的全球基础设施。
• 工业互联网 ：物联网的一种特殊形式，连接事物、机器、计算机和人，利用先进数据分析实现智能工业运营，以获得变革性的商业成果。
• 网络物理系统（CPS） ：通过数字网络相互连接的嵌入式系统，具有多种人机界面，通过传感器收集和处理物理数据，并通过执行器与物理操作进行交互。
• 先进制造 ：广泛使用下一代技术的制造过程，综合计算机、高精度和信息技术，结合高性能劳动力，实现高效、灵活的生产。
• 智能工厂/智能制造 ：先进制造或工业 4.0 的成果，智能工厂通过智能产品实现分散式制造逻辑，智能制造则强调数据驱动的制造智能。
• 创新 ：包括新产品或服务的首次商业应用、新的生产方法、新的营销方法或新的组织方法。创新与发明不同，创新是为发明增加市场价值的过程。创新有四个维度：产品或服务创新、过程创新、组织创新和营销创新，本文主要关注产品和过程创新。
• 创新生态系统 ：借鉴自然生态系统的概念，强调不同参与者之间的互动和动态关系，与国家创新系统相关，但更具动态性。

3. 先进制造的趋势

先进制造的核心是硬件与软件的结合，以及新信息技术与先进机械的应用，以提高制造过程的自动化、智能化、效率和可持续性。德国在 2013 年推出“工业 4.0”倡议，美国的智能制造领导委员会则侧重于开发新的信息技术基础设施标准和平台。

美国的先进制造合作组织（AMP）在 2012 年和 2014 年向总统科学技术顾问委员会（PCAST）提交报告，提出了通过创建新的研发基础设施和技术路线图来促进先进制造创新的建议。2012 年启动的国家制造创新网络（NNMI）是美国近年来在先进制造领域的重大投资，包括多个专注于预竞争技术开发和区域能力建设的中心：
- 先进复合材料制造创新研究所（田纳西州诺克斯维尔）
- 数字制造与设计创新研究所（伊利诺伊州芝加哥）
- 明日轻量化创新中心（密歇根州底特律）
- PowerAmerica - 宽带隙半导体中心（北卡罗来纳州罗利）
- America Makes - 增材制造中心（俄亥俄州扬斯敦）
- 柔性混合电子中心（加利福尼亚州圣何塞）
- 集成光子学研究所（纽约州奥尔巴尼）
- 革命性纤维与纺织品中心（在建）
- 智能制造中心（在建）

2014 年的 AMP 2.0 报告还强调了未来国家制造创新的三个重点领域：
1. 先进的制造传感、控制和平台
2. 可视化、信息学和数字制造
3. 先进材料制造

4. 马萨诸塞州制造业的竞争地位

马萨诸塞州拥有约 7000 家制造企业，涵盖多个行业，其中员工少于 100 人的中小企业占比约 92%，但仅占制造业就业的 30%。该州制造业历史悠久，先进制造能力使其能够适应市场变化。尽管制造业就业份额在过去几十年中有所下降，但自 2008 年危机以来已趋于稳定。

马萨诸塞州的中小企业虽然参与全球供应链，但面临着复杂的竞争环境。然而，该州的制造业生产系统具有以下特点：
- 小批量利基生产
- 极高的质量和性能要求
- 高知识和创新含量
- 新产品或早期阶段产品及原型制作
- 高专有内容的产品
- 靠近市场的产品
- 受监管因素鼓励在美国生产的产品
- 定制产品且周转时间快

为维持这些特点，OEMs 依赖以下四项主要资产：
- 受过良好教育和高技能的劳动力，特别是在工程领域
- 能够快速提供高质量、高可靠性难制造零件的供应商
- 世界级的大学
- 创新的初创企业和充满活力的创业生态系统

此外，能源成本下降、传统低工资国家劳动力成本上升以及对知识产权保护的关注，使美国的制造业环境更具竞争力，马萨诸塞州在某些领域具有优势。同时，增材制造、网络物理系统和集成电路光子学等新技术的发展为美国企业提供了创新和提高效率的机会。

5. 马萨诸塞州制造创新生态系统

创新过程是非线性和动态的，涉及不同参与者之间的高度互动。马萨诸塞州的制造创新生态系统主要有四个关键节点：
- 大型 OEMs
- 供应商 SMEs
- 初创企业
- 大学和研究机构

以下是这些节点之间的关系示意：

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    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px

    A(OEMs):::process -->|知识流动| B(SMEs):::process
    A -->|双向知识流动| C(大学和研究机构):::process
    D(初创企业):::process -->|新想法| A
    B -.->|弱连接| C
    B -.->|弱连接| D

总体而言，OEMs 在创新生态系统中联系最强，推动着创新活动。它们与研究型大学之间的知识流动是双向的，而与 SMEs 的知识流动相对单向。初创企业通常为 OEMs 带来新想法。相比之下，SMEs 在生态系统中的联系最弱，历史上主要是知识的接收方，与大学和初创企业社区的联系也较弱。

通过加强这些关键参与者之间的联系，扩大知识流动，将提升整个系统的水平，增强该地区的竞争力。在全球其他地区和国家加大对制造业投资和激励的背景下，马萨诸塞州利用和投资自身的创新资产变得越来越重要。

先进制造创新生态系统：马萨诸塞州案例解析

6. 关键节点在创新生态系统中的作用分析

为了更深入地理解马萨诸塞州制造创新生态系统，我们对四个关键节点的具体作用进行详细分析。
|节点|作用|特点|
| ---- | ---- | ---- |
|大型 OEMs|是创新活动的主要推动者，与研究型大学双向交流知识，向 SMEs 单向输出知识。它们凭借自身的规模和资源，引领着行业的技术发展方向。|资金雄厚、技术先进、具有强大的研发能力和市场影响力。|
|供应商 SMEs|为大型 OEMs 提供零部件和服务，是产业链的重要组成部分。但在创新生态系统中相对被动，知识获取多，输出少。|数量众多、灵活性高，但资源和技术能力相对有限。|
|初创企业|为 OEMs 带来新的想法和技术，是创新的新鲜血液。它们通常专注于新兴技术和领域，具有创新性和活力。|创新性强、敢于尝试新技术，但面临资金和市场推广的挑战。|
|大学和研究机构|为整个生态系统提供知识和人才支持，与 OEMs 进行合作研究，推动技术的进步。|知识资源丰富、科研实力强，但成果转化可能存在一定的时间差。|

7. 加强创新生态系统的策略探讨

针对马萨诸塞州制造创新生态系统中存在的问题，特别是 SMEs 联系薄弱的情况，可以采取以下策略来加强整个生态系统：
- 促进知识共享 ：建立知识共享平台，鼓励 OEMs、SMEs、初创企业和大学之间的交流与合作。例如，可以组织定期的技术研讨会、行业论坛等活动，让各方能够分享最新的技术和市场信息。
- 加强产学研合作 ：大学和研究机构应更加积极地与企业合作，将科研成果转化为实际生产力。可以通过建立联合实验室、开展合作项目等方式，加强产学研之间的联系。
- 支持 SMEs 创新 ：政府和行业协会可以提供资金支持、技术培训和咨询服务，帮助 SMEs 提升创新能力。例如，设立创新基金，为有潜力的 SMEs 提供资金支持；开展技术培训课程，提高 SMEs 员工的技术水平。
- 培育创业文化 ：营造有利于创业的环境，鼓励更多的创新人才创办企业。可以通过提供创业孵化基地、税收优惠等政策，降低创业门槛，提高初创企业的成功率。

8. 未来发展趋势与展望

随着科技的不断发展，马萨诸塞州的制造创新生态系统也将面临新的机遇和挑战。以下是一些未来可能的发展趋势：
- 技术融合加速 ：物联网、大数据、人工智能等新兴技术将与先进制造技术深度融合，推动智能制造的发展。马萨诸塞州的企业需要加快技术升级，以适应这一趋势。
- 绿色制造兴起 ：环保和可持续发展的要求将促使企业采用更加绿色的制造技术和工艺。马萨诸塞州在环保技术和研发方面具有一定的优势，可以在绿色制造领域取得领先地位。
- 全球合作加强 ：制造业的全球化趋势将继续加强，马萨诸塞州的企业需要加强与全球其他地区的合作，拓展市场和资源。同时，也需要应对来自全球的竞争压力。

为了应对这些趋势，马萨诸塞州的制造创新生态系统需要不断优化和升级。以下是一个未来发展的流程图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px

    A(技术融合):::process --> B(智能制造发展):::process
    C(绿色制造需求):::process --> B
    D(全球合作):::process --> B
    B --> E(生态系统升级):::process
    E --> F(提升竞争力):::process

9. 结论

马萨诸塞州的制造创新生态系统具有独特的优势和特点，四个关键节点在其中发挥着不同的作用。然而，目前生态系统中存在着一些问题，特别是 SMEs 的创新能力和联系相对薄弱。通过采取促进知识共享、加强产学研合作、支持 SMEs 创新和培育创业文化等策略，可以加强整个生态系统的创新能力和竞争力。

未来，随着技术融合加速、绿色制造兴起和全球合作加强等趋势的发展，马萨诸塞州的制造创新生态系统需要不断优化和升级，以适应新的挑战和机遇。通过持续的努力和创新，马萨诸塞州有望在全球先进制造领域保持领先地位，为经济的发展和社会的进步做出更大的贡献。