Lĩnh vực chăm sóc sức khỏe và an ninh quốc gia đang tạo ra những cơ hội mới cho sản xuất tiên tiến, nhờ những tiến bộ gần đây trong các lĩnh vực như tự động hóa, khoa học dữ liệu, trí tuệ nhân tạo, máy học, công nghệ sinh học và khoa học vật liệu, kết hợp với những thách thức kỹ thuật cấp bách trong quá trình khử cacbon trên toàn nền kinh tế. Để cạnh tranh trên toàn cầu, Hoa Kỳ đang tận dụng và bảo vệ vị trí dẫn đầu về công nghệ của mình thông qua phát triển và triển khai nhanh chóng các công nghệ sản xuất sáng tạo.

Tại Hoa Kỳ, mặc dù các khoản đầu tư của Liên bang vào nghiên cứu và phát triển liên quan đến sản xuất tiên tiến tập trung vào các mục tiêu cụ thể của nhiệm vụ trong mỗi cơ quan, nhưng các chiến lược dựa trên danh mục đầu tư được phối hợp giữa các cơ quan sẽ hiệu quả hơn. Quan hệ đối tác công - tư để thúc đẩy các lĩnh vực công nghệ mục tiêu là chìa khóa để phát triển và triển khai các công nghệ sản xuất mới. Những mối quan hệ đối tác công - tư như vậy mang đến cơ hội tạo và chia sẻ các cơ sở vật chất liên quan đến ngành, nơi các công cụ, công nghệ và chuyên môn tích hợp có thể được đặt cùng nhau để mở rộng hệ sinh thái đổi mới khu vực và thúc đẩy tăng trưởng kinh tế cả trong và giữa các khu vực.

Chiến lược quốc gia về sản xuất tiên tiến của Hoa Kỳ mới đây đã xác định 5 mục tiêu chiến lược cụ thể gồm: (1) Kích hoạt sản xuất sạch và bền vững để hỗ trợ quá trình khử cacbon; (2) Đẩy nhanh đổi mới sản xuất vi điện tử và chất bán dẫn; (3) Triển khai sản xuất tiên tiến để hỗ trợ nền kinh tế sinh học; (4) Phát triển vật liệu sáng tạo và công nghệ chế biến; (5) Dẫn đầu tương lai của sản xuất thông minh. Đối với mỗi mục tiêu cụ thể đều có một tập hợp các khuyến nghị được đưa ra, với các kết quả sẽ được hoàn thành trong 4 năm tới.

Sản xuất sạch và bền vững để hỗ trợ quá trình khử cacbon

Biến đổi khí hậu là do tổng lượng carbon dioxide và các khí nhà kính khác (GHG) được bổ sung và tồn tại trong khí quyển. Lĩnh vực sản xuất chiếm khoảng 1/3 mức sử dụng năng lượng sơ cấp của quốc gia và 30% lượng phát thải khí nhà kính liên quan đến năng lượng. Sản xuất vật liệu công nghiệp như thép, xi măng và hóa chất cũng trực tiếp tạo ra phát thải khí nhà kính thông qua các quá trình hóa học. Có thể giảm tiêu thụ năng lượng liên quan đến sản xuất và phát thải khí nhà kính thông qua việc sử dụng các công nghệ sản xuất sạch và hiệu quả và giảm phát thải trong toàn bộ vòng đời sản phẩm.

Hoa Kỳ đã cam kết giảm 50%-52% lượng phát thải khí nhà kính ròng xuống dưới mức năm 2005 vào năm 2030 và bằng 0 vào năm 2050. Lĩnh vực sản xuất sẽ không thể thiếu trong những nỗ lực khử cacbon này khi có cơ hội tự khử cacbon cho các quy trình sản xuất, cũng như cơ hội mở rộng quy mô sản xuất thiết bị không carbon của Hoa Kỳ. Sản xuất tiên tiến có thể cho phép các công nghệ có chi phí thấp hơn, không phát thải trong các lĩnh vực năng lượng, công nghiệp, xây dựng và giao thông vận tải.

Để hỗ trợ mục tiêu này, Hoa Kỳ sẽ tập trung vào:  (i) Khử cacbon trong các quy trình sản xuất, phát triển và trình diễn các công nghệ sản xuất tiên tiến; (ii) Công nghệ sản xuất năng lượng sạch: Cải thiện vật liệu, quy trình sản xuất và thiết kế sản phẩm để sản xuất và lưu trữ điện sạch; giao thông vận tải, tòa nhà và công nghiệp không phát thải để tạo điều kiện cho một nền kinh tế khử cacbon; (iii) Sản xuất và tái chế bền vững: Phát triển các công nghệ sản xuất khả thi về mặt kinh tế giúp tách các vật liệu có giá trị khỏi dòng chất thải, cũng như các giải pháp thay thế cho các vật liệu gây ô nhiễm hoặc năng lượng;

Đẩy nhanh đổi mới sản xuất vi điện tử và chất bán dẫn

Chất bán dẫn là nền tảng của vi điện tử và những tiến bộ trong công nghệ bán dẫn là rất quan trọng đối với an ninh quốc gia và đối với hầu hết mọi lĩnh vực của nền kinh tế. Chúng là “xương sống” của các thiết bị điện tử công suất kiểm soát và điều hòa dòng điện, cho phép sạc xe điện và tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo vào lưới điện. Sự phổ biến của vi điện tử tạo cơ hội để tăng cường các quy trình sản xuất bền vững có tính đến khí hậu, môi trường và các tác động khác trong vòng đời sản phẩm. Ngành công nghiệp sản xuất đang phải đối mặt với những hạn chế cơ bản về hiệu suất của công nghệ bán dẫn oxit kim loại bổ sung, sự đa dạng hóa thị trường ngoài bộ vi xử lý và bộ nhớ, cũng như cạnh tranh toàn cầu khốc liệt. Những cải tiến về hiệu suất trong tương lai đòi hỏi phải nghiên cứu về khả năng sản xuất và xử lý đối với các vật liệu, thiết bị và giải pháp kết nối vi điện tử mới sẽ cung cấp năng lượng cho các thiết bị lưu trữ và điện toán trong tương lai. Việc Đạo luật Khoa học và CHIPS (CHIPS and Science Act) được thông qua vào tháng 8 năm 2022 cung cấp các khoản đầu tư vào cơ sở hạ tầng bán dẫn, sẽ giúp đạt được các mục tiêu đẩy nhanh đổi mới sản xuất vi điện tử và chất bán dẫn.

Để hỗ trợ mục tiêu này, Hoa Kỳ sẽ tập trung vào: (i) Sản xuất nano chất bán dẫn và điện tử: Đầu tư vào chế tạo quang tử tích hợp, điện tử in trực tiếp và phụ gia, các định dạng cảm biến độc đáo và chế tạo điện tử lai để khai thác sức mạnh của sản xuất nano. Phát triển các phương pháp vật lý, hóa học và sinh học để đặt và liên kết chính xác các nguyên tử thành các phân tử và cấu trúc mong muốn; (ii) Vật liệu bán dẫn, thiết kế và chế tạo: Phát triển khả năng sản xuất tiên tiến cho phép tạo và thử nghiệm các thiết bị, vật liệu và kiến trúc mới; (iii) Đóng gói bán dẫn (Semiconductor Packaging) và thiết kế không đồng nhất (Heterogeneous Design): Tạo ra vật liệu, công cụ, thiết kế, quy trình, lắp ráp và thử nghiệm mới cho đóng gói bán dẫn tiên tiến với mật độ, năng suất và độ tin cậy cao hơn. Tăng cường R&D và tạo mẫu để cải thiện năng suất và độ tin cậy của sản xuất. Phát triển các cơ sở quốc gia cho R&D tích hợp đóng gói bán dẫn.

Triển khai sản xuất tiên tiến để hỗ trợ nền kinh tế sinh học

Nền kinh tế sinh học của Hoa Kỳ là “hoạt động kinh tế được thúc đẩy bởi sự đổi mới trong khoa học sự sống và công nghệ sinh học, và được kích hoạt bởi những tiến bộ công nghệ trong kỹ thuật và trong khoa học máy tính và thông tin” và bao gồm các ngành công nghiệp, sản phẩm và dịch vụ. Trong sản xuất sinh học, vi khuẩn và các sinh vật khác nhau (tế bào vi khuẩn, vi rút, nấm men, vi khuẩn lam, tảo) có thể được lập trình để tạo ra nhiều loại sản phẩm như thực phẩm, thức ăn chăn nuôi, nhiên liệu, sợi, nhựa sinh học, cao su tự nhiên, hóa chất tái tạo, dược phẩm, dược phẩm không nguyên liệu thực phẩm và các sản phẩm có giá trị cao khác. Quy trình này sử dụng sinh khối bền vững hoặc nguồn đường làm nguyên liệu, cung cấp một giải pháp thay thế cho sản xuất dựa trên hóa dầu cho nhiều sản phẩm như nhựa, nhiên liệu và vật liệu.

Để hỗ trợ mục tiêu này, Hoa Kỳ sẽ tập trung vào: (i) Sản xuất sinh học: Hỗ trợ nghiên cứu để thúc đẩy sản xuất sinh học bao gồm các công cụ sản xuất kỹ thuật gen và protein, kỹ thuật hệ thống đa bào, mô hình sinh học và phương pháp công nghệ sinh học để xử lý sinh học; (ii) Nông nghiệp, Lâm nghiệp và Chế biến Thực phẩm: Hỗ trợ nghiên cứu về giải trình tự bộ gen tiên tiến, tin sinh học, mô hình dự đoán cho các kiểu hình chức năng và tích hợp các hệ thống kiểm soát cũng như phối hợp giữa con người và máy móc trong sản xuất thực phẩm, thức ăn chăn nuôi, nhiên liệu và sợi; (iii) Xử lý và chuyển đổi sinh khối: Phát triển các phương pháp, quy trình và công nghệ để khai thác một tỷ tấn sinh khối có thể được sản xuất bền vững ở Hoa Kỳ và chuyển đổi thành nguyên liệu thô cho sản xuất; (iv) Dược phẩm và Sản phẩm chăm sóc sức khỏe: Sản xuất liên tục, giám sát và kiểm soát quy trình trực tuyến, hệ thống tích hợp hỗ trợ AI và kỹ thuật nuôi cấy tế bào mới. Ưu tiên phát triển sản xuất dựa trên sinh học để tạo ra các sản phẩm, thiết bị y tế dành riêng cho bệnh nhân và hệ thống phân phối thuốc điều khiển bằng sinh học.

Phát triển vật liệu sáng tạo và công nghệ chế biến

Các vật liệu tiên tiến rất cần thiết cho việc phát triển các sản phẩm mới cũng như an ninh kinh tế và quốc gia, với các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Vật liệu tiên tiến có thể bao gồm vật liệu cấu trúc chịu nhiệt độ cực cao được sử dụng trong siêu âm, vật liệu được dùng trong môi trường khắc nghiệt, hợp kim kim loại nhẹ có độ bền cao, vật liệu sinh học tổng hợp và nhiều loại khác. Sử dụng vật liệu mới thường đòi hỏi kỹ thuật sản xuất sáng tạo. Các quy trình tiên tiến như sản xuất bồi đắpa và sản xuất nano tạo ra cơ hội cho các vật liệu mới. Các công nghệ xử lý vật liệu tiên tiến hiệu suất cao mới có thể tăng hiệu quả về chi phí và khả năng cạnh tranh bằng cách thay thế (hoặc bổ sung) các phương pháp phổ biến bằng các phương pháp nhanh hơn, hiệu quả hơn, chính xác hơn và mạnh mẽ hơn. Các vật liệu và quy trình tiên tiến có thể giảm lượng khí nhà kính trong vòng đời và các hậu quả môi trường khác trong quá trình sản xuất và sử dụng sản phẩm.

Để hỗ trợ mục tiêu này, Hoa Kỳ sẽ tập trung vào: (i) Thiết kế và xử lý vật liệu hiệu suất cao: Khả năng xử lý và thiết kế vật liệu nâng cao thông qua việc tích hợp các công cụ học máy dựa trên dữ liệu; (ii) Sản xuất bồi đắp: Phát triển các khuôn khổ tối ưu hóa quy trình sản xuất bồi đắp (AM) mà tất cả người dùng đều có thể tiếp cận được. Tạo các cảm biến mới để nâng cao khả năng giám sát và kiểm soát quy trình. Phát triển các thuật toán học máy để phân tích các luồng dữ liệu lớn, an toàn, có thể tương tác và thực hiện kiểm soát phản hồi. Sản xuất các công cụ để tạo ra các vật liệu và khả năng dành riêng cho AM mới. Tích hợp các công nghệ sản xuất bồi đắp với các nền tảng sản xuất thông minh; (iii) Vật liệu quan trọng: Xác định và tích hợp các vật liệu và công nghệ thay thế để giảm hoặc thay thế việc sử dụng các vật liệu quan trọng trong các công nghệ có nhu cầu cao; (iv) Sản xuất trong không gian: Phát triển các quy trình sản xuất bồi đắp mới trong môi trường vi trọng lực để tạo ra các bộ phận thay thế và cơ sở hạ tầng không gian.

Dẫn đầu trong sản xuất thông minh

Sản xuất thông minh thông qua thiết kế và sản xuất kỹ thuật số thu thập và phân phối thông tin mà thiết bị sản xuất cần để chuyển đổi thiết kế và nguyên liệu thô thành sản phẩm. Sản xuất thông minh phân phối thông tin liên quan đến mọi cấp độ của doanh nghiệp, từ nhà máy đến bộ phận điều hành, do đó cải thiện chất lượng sản phẩm và khả năng truy xuất nguồn gốc đồng thời giảm chi phí. Mô hình Công nghiệp 4.0 mô tả những thay đổi mang tính chuyển đổi đối với các mô hình và quy trình công nghệ, do khả năng kết nối ngày càng tăng và tự động hóa thông minh mang lại. Những tiến bộ trong tương lai phụ thuộc vào việc áp dụng rộng rãi cơ sở hạ tầng kỹ thuật số mạnh mẽ trong sản xuất, sự sẵn có của lực lượng lao động thông thạo kỹ thuật số và tạo ra các mô hình kinh doanh sản xuất do AI cung cấp để tổng hợp dữ liệu giữa các nhà sản xuất đồng thời bảo vệ thông tin độc quyền. Việc tổng hợp như vậy sẽ cung cấp cho các công ty sản xuất các giải pháp tốt hơn so với việc mỗi công ty có thể tự phát triển, vì họ sẽ có lợi ích từ kinh nghiệm sản xuất tích lũy của tất cả các công ty tham gia vào mạng lưới.

Để hỗ trợ mục tiêu này, Hoa Kỳ sẽ tập trung vào: (i) Sản xuất kỹ thuật số, cho phép áp dụng các công nghệ cảm biến, điều khiển và học máy tiên tiến trong lĩnh vực sản xuất. Thúc đẩy sản xuất thông minh bằng cách theo đuổi công nghệ bản sao số (Digital Twins). Phát triển các tiêu chuẩn về khả năng tương thích dữ liệu để cho phép tích hợp liền mạch sản xuất thông minh; (ii) AI trong sản xuất: Ưu tiên R&D trong học máy, truy cập dữ liệu, bảo mật, mã hóa và đánh giá rủi ro để cho phép áp dụng AI trong sản xuất. Phát triển các phương pháp, tiêu chuẩn và công cụ phần mềm tốt nhất để mở rộng mô hình kinh doanh mới giúp kiếm tiền từ dữ liệu sản xuất trong khi vẫn duy trì bảo mật dữ liệu và tôn trọng quyền sở hữu trí tuệ. Cân bằng lợi ích của nhà sản xuất và người tiêu dùng trong các khía cạnh như sở hữu trí tuệ, quyền riêng tư và quyền chỉnh sửa; (iii) Áp dụng công nghệ lấy con người làm trung tâm: Thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ và tiêu chuẩn mới giúp tăng cường sự phối hợp giữa con người và máy móc bằng cách cho phép các tương tác giữa người và máy an toàn và hiệu quả, giúp tăng cường khả năng của con người trong sản xuất; (iv) An ninh mạng trong sản xuất: Phát triển các tiêu chuẩn, công cụ và cơ sở thử nghiệm, đồng thời phổ biến các hướng dẫn để triển khai an ninh mạng trong các hệ thống sản xuất thông minh. Tập trung nỗ lực vào việc cập nhật thiết bị và thay thế thiết bị sản xuất không thể đảm bảo an toàn mạng.

P.A.T (NASATI), Nguồn: The National Strategy for Advanced Manufacturing, National Science and Technology Council, https://www.whitehouse.gov/, 10/2022; Advanced Manufacturing: A New Narrative, WEF, 10/2023