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本文說明什麼是工業 5.0,其優勢和挑戰。文中也會說明模擬在工業 5.0 中所扮演的角色。

什麼是工業 5.0?

工業 5.0 聚焦於以人為本的永續方式來製造產品,藉此改變製造業的生態。工業 5.0 仍將使用相同的機器人、人工智慧 (AI) 和機器學習、大數據分析、物聯網 (IoT) 和工業 4.0 使用的先進技術來實現工業自動化,但不會因顯著的人力縮減而造成社會混亂。

許多產業部門仍在轉型至第四次工業革命 (工業 4.0) 的路上,而即便工業 4.0 的概念尚未被完全採用,第五次工業革命 (工業 5.0) 的概念正逐漸成形。雖然現在轉型至新的「工業革命」似乎操之過急,但工業 5.0 可視為工業 4.0 的延伸版本,其中卻有著更多人性化要素,並能為工業自動化提供一個人性化的一面。在工業 4.0 持續進展下,可以把轉型至工業 5.0 視為一樁好事,因為這意味著人員再重新進行訓練的次數會減少。

工業 5.0:將人性化要素 帶入工業 4.0

工業 4.0 的自動化提高了許多產業部門的生產力,但仍有許多領域需要機器人與人類密切合作。工業 5.0 著重於讓人類在人機迴圈中保有決策權,同時確保改善生產輸出和產品品質的先進技術能持續進化。

此外,亦有出現一些反彈聲浪,呼籲建立更以人為本的生態系。舉例來說,歐盟 (EU) 希望透過更多人機協作製造,以避免龐大失業衝擊及提升技能的挑戰。工業 4.0 與工業 5.0 之間浮現的新典範,旨在為製造業帶來更高水準的永續性。

工業 5.0 將保留相同的先進技術,例如物聯網感測器、AI、數位孿生、雲端運算、虛實整合系統、工業 4.0 期間導入生產線的積層製造,並且還有額外的人機迴圈檢查點。這些檢查點可讓人類在自動化工作流程中工作、快速評估設計方向、進行設計迭代、採用製程更新,並評估更換供應鏈的影響。

工業 5.0 的目標之一,是讓人類和機器人透過協作式機器人 (Cobot) 和先進輔助機器人彼此合作,量產個人化和客製化產品。例如,可採用單一生產線的形式,在不同區域配置 AI 驅動的機器人,先生產相同的基礎產品,最後再由生產線末端的人類調整部分零件,進一步打造客製化產品。在這種情況下,自動化機器人仍在執行大多數的工作和高度重複的任務,而人類工作者則提供最終的意見。

工業 5.0 的 關鍵支柱

若要讓工業 5.0 成功打造重視員工福祉、人類創造力與先進自動化的新型量產環境,必須圍繞幾個關鍵支柱進行轉型。

這三大支柱分別是:

以人為本

正在開發的新技術,將體認到人類在現代自動化製造環境中的重要性。轉向更以人為本的方法,亦有助於減少 AI 自動化所造成的失業人數。

永續性

工業 4.0 具備一些永續性要素,特別是在使用低碳排放燃料和以永續方式運轉機器方面。工業 5.0 將透過以循環經濟為考量的產品設計,將其提升至更高水準。工業 5.0 的目標之一是在設計產品時,首先考量在第一個使用週期結束後,哪些零件可以被重複利用、重新設計或哪些需要更換。

可適應又穩健的生產系統

工業 5.0 需要使用可適應又穩健的生產系統,並由 AI 和人類共同做出決策。使用人機迴圈系統將有助於將組裝線最佳化,並確保達到最大效率,該系統同時也能允許人類做出判斷,以防止製程傷害到工廠或人力。這樣一來,生產製程的穩健性和韌性將會提升,並確保工作環境更加安全。

工業 5.0 的 優勢與挑戰

在任何新技術實作和技術革命中,總是會有正面和負面的影響。自第一次工業革命以來,每個全新的階段都帶來了益處,卻也隨著社會與時俱進而帶來必須妥善因應的挑戰。工業 5.0 也是如此,但其並非試圖取代機器人與智慧技術,而是著重於以嶄新方式整合這些技術。

工業 5.0 的益處

  • 結合人機協作與技術發展,並透過在人類接近時限制施力的技術,設計打造出能在人類附近運作的先進系統
  • 提升生產力,因為機器人仍能勝任許多「繁重」工作,例如焊接或搬運,讓人類能專注於需要發揮工程判斷的創意性任務,例如品管與客製化決策
  • 先進的智慧機器人技術,AI 機器人可以觀察人類,學習其在執行任務時的移動與施力方式,進而最佳化自身的機器人運作
  • 可降低員工的疲勞與耗損,因為機器人負責執行各類勞力密集的任務
  • 強化永續性和循環經濟原則的構建,直接放入產品設計核心,而非事後才將其納入考量
  • 向消費者推出更多客製化產品
  • 提升人力技能,使他們能與最新的技術協作
  • 提高員工滿意度,因為他們可以處理更具啟發性和創造性的任務,而不是單調的重複性任務

採用工業 5.0 製程的挑戰

  • 新技術與人類要素必須同步導入,但這一點並未在工業 4.0 實現,因此,企業需要改變思維與營運方式,才能落實工業 5.0 的理念
  • 員工在使用不同技術時,可能需要一段時間才能完成學習
  • 人類工作者必須感受到新技術賦予他們全新能力,否則他們可能會對學習使用這些技術產生抗拒,甚至不願意接受改變
  • 組織需要採用新的治理策略,因為並非所有人都需要全面掌握所有技術與製程。例如,維護技術人員可能只需瞭解預測性維護與操作介面,製程工程師則可能需要更深入鑽研數位轉型相關概念。
  • 需要採取漸進式的過渡,以降低員工因擔心被取代或工作受到威脅,對採用技術所產生的抗拒
  • 需要制定新的勞動法規,以釐清哪些為勞工權利與保障,哪些構成機器人的作業環境

工業 5.0 應用領域

導入工業 5.0 架構,將對汽車、醫療照護、機器人及各類製造產業帶來廣泛的影響。在製造應用領域中,設備不僅能像工業 4.0 一樣,進行預測性維護作業,亦能透過一開始就考量循環性設計,讓報廢機械的元件用於下一代機械、車輛與技術中。從製造角度來看,此舉將減少浪費、改善能耗,並降低長期成本。

在醫療照護領域,智慧系統將能查看患者過去的病史,以瞭解各種可能的診斷結果。人類醫生接著可以發揮其背景專業知識,做出最終的決定。醫生也可以運用數位孿生工作,檢視人體器官,並在為患者手術前,先模擬手術流程,瞭解不同器官在術中的運作,以降低手術風險。

代理式 AI 也能在沙盒測試環境中,用於協助不同的員工。人類員工可嘗試不同的情境和決策,以查看不同方法造成的結果,以及是否對企業整體產生正面影響。這些結果可用於制定更有效的企業策略。

模擬 在工業 5.0 中的角色

在工業 5.0 時代,人類員工應能存取數位孿生軟體,讓他們能夠著手練習,更深入瞭解所使用的系統、掌握任何潛在故障模式,並針對可能讓工廠廠房面臨風險的潛在情境,建立相關的知識。

模擬軟體 (例如 Ansys Twin Builder 基於模擬的數位孿生平台及 AI 驅動的 Ansys TwinAI 數位孿生軟體) 不僅能協助生成這些環境,還能在產品的各種設計階段使用,以確保在開始設計原型前,就能實現最佳設計。由於數位孿生能模擬整個製造設施,其應用範圍於是可以從最初的迭代設計週期,持續延伸至產品的實際製造環境 (在實體系統建造完成及/或變更參數前,便能進行微調)。這些數位孿生亦有助於訓練員工,以利更妥善瞭解他們使用的系統,藉此將提升員工技能的挑戰,化為更易於管理的訓練環境。數位孿生也能協助訓練員工操作敏感設備,若在實體設備上直接操作,可能導致工廠停機或產能下降,透過數位孿生則能避免工廠停機。

對於將應用於工業 5.0 的機器人與 Cobot (結合多種材料、軟體與技術而成),可運用 Ansys Fluent 流體模擬軟體、Ansys Mechanical 結構有限元素分析軟體,以及 Ansys Maxwell 進階電磁場求解器,設計這些機器人的結構,並分析各項技術之間的相互作用。這樣可讓機器人在模擬環境中進行設計、部署和驗證,無須用到大量且昂貴的原型設計。

您若想進一步瞭解各種模擬工具,如何用於設計新產品與管理工業系統,同時還能在工業 5.0 的時代協助訓練人力,歡迎立即聯絡我們的技術專家,按照您的需求找出最合適的模擬方法。

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