O Declínio da Indústria nos Estados Unidos e a Reação do Governo

Neste trabalho, o IEDI analisa as iniciativas do governo federal dos Estados Unidos para elevar a produtividade da economia e recuperar a competitividade da indústria de transformação doméstica e sua liderança mundial nos setores de alta tecnologia. Para tanto, foram utilizados dois documentos oficiais publicados pelo Conselho Nacional de Ciência e Tecnologia (NSTC), que é chefiado pelo próprio presidente da República. 

A partir de um diagnóstico do setor industrial de alta tecnologia dos Estados Unidos e dos desafios para assegurar sua competitividade em contexto de novas tecnologias emergentes que irão revolucionar a produção industrial, o documento “A National Strategic Plan For Advanced Manufacturing”, de 2012, apresenta os princípios e os objetivos da nova estratégia norte-americana para a manufatura avançada. 

Um documento de abril de 2016, “Advanced Manufacturing: a snapshot of priority technology areas across the federal government”, a seu turno, mapeia as áreas de tecnologias emergentes e já existentes que são as mais importantes, tanto para a competitividade dos EUA no setor industrial como para a segurança nacional, de modo a fornecer uma base de prioridades para as colaborações público-privadas e uma visão compartilhada de como avançar para garantir a liderança dos Estados Unidos na indústria de alta intensidade tecnológica. 

A análise desses documentos oficiais do NSTC foi enriquecida por três artigos: “What is new in the new industrial policy? A manufacturing systems perspective”, de autoria de quatro professores da Universidade de Cambridge, Eion O’Sullivan, Antonio Andreoni, Carlos López-Gómes e Mike Gregory, publicado em 2013 na Oxford Rewiev of Economic Policy; “The rise of advanced manufacturing institutes in the United States” de autoria do professor William Bonvillian do Massachusetts Institute of Technology (MIT) publicado em 2017 no estudo da OECD  The Next Production Revolution: Implications for governments and business; e “The Obama Administration’s Proposal to Establish a National Network for Manufacturing Innovation”, de autoria de John Sargent Jr publicado em janeiro de 2014 pelo Congressional Research Service.

Como destaca o Conselho Nacional de Ciência e Tecnologia, os Estados Unidos abrigam o maior e um dos mais sofisticados e diversificados sistemas industriais do mundo, representando cerca de um quarto do valor agregado mundial da indústria de transformação. Em 2010, as empresas industriais dos EUA produziram cerca de US$ 1,7 trilhão de bens, respondendo por 11,7% do Produto Interno Bruto (PIB) dos EUA, e empregaram 11,5 milhões de americanos, pagando, em média, 21% acima da remuneração horária média em atividades do setor privado de serviços. A indústria de transformação tem um efeito multiplicador maior do que qualquer outra atividade econômica importante: um dólar gasto na produção manufatureira gera uma atividade econômica adicional de US$ 1,357. A indústria de transformação também é o maior contribuinte para as exportações norte-americanas. Em 2010, os EUA exportaram mais de US$ 1,1 trilhão de produtos manufaturados, que representaram 86% de todas as exportações de bens e 60% das exportações totais do país. 

O setor industrial norte-americano responde ainda por aproximadamente de 72% de todas as despesas de pesquisa e desenvolvimento (P&D) do setor privado e emprega cerca de 60% da força de trabalho nas atividades de P&D dos EUA. Como resultado, a indústria desenvolve e produz muitas das tecnologias que promovem a competitividade e o crescimento de toda a economia. Os ganhos de produtividade baseados em tecnologias desenvolvidas pelo setor da indústria de transformação geram consistentemente o crescimento do emprego em toda a economia ao longo do tempo. 

Porém, na segunda metade do século passado, a indústria de transformação passou a crescer mais lentamente do que os setores de finanças, seguros, imóveis e leasing. Como resultado, a participação do setor industrial no PIB caiu significativamente. Esse declínio relativo da indústria foi acompanhado por uma profunda transformação do sistema nacional de produção dos EUA. As principais empresas norte-americanas deslocaram de modo crescente suas plantas de produção para outros países, bem como outras funções corporativas (por exemplo, contabilidade, tecnologia da informação, planejamento tributário, pesquisa legal), o que resultou no "encolhimento" da indústria doméstica norte-americana, com reflexo no emprego industrial: quase oito milhões de postos de trabalho foram perdidos nos últimos 30 anos.

Segundo Sargent (2014), a decisão das empresas de deslocar a produção para o exterior foi fruto dos esforços realizados por outros países para aumentar o tamanho, diversidade e proeza tecnológica de suas capacidades de produção. Para atrair operações de produção industrial de empresas multinacionais com sede nos EUA, esses países utilizaram uma variedade de ferramentas políticas (por exemplo, isenções fiscais, incentivos para treinamento de trabalhadores, acesso ao mercado, acesso aos minerais de terras raras). 

Na avaliação do NSTC, a transferência da atividade de produção das grandes empresas para o exterior gerou uma lacuna entre as atividades de pesquisa e desenvolvimento (P&D) e a aplicação de inovações tecnológicas na produção doméstica de bens, que afetou a capacidade de produção nos EUA, ocasionado perda de benefícios econômicos substanciais. Pesquisadores norte-americanos inventaram e comercializaram robôs industriais, por exemplo, com a primeira instalação em uma fábrica da General Motors em 1961. Porém atualmente, a grande maioria da produção de robôs industriais é realizada na Ásia e na Europa. O mesmo padrão ocorreu com as tecnologias de armazenamento e de geração de energia, como as baterias recarregáveis de íon de lítio e células solares, e em muitas outras áreas tecnológicas. As fábricas localizadas nos EUA já não produzem telas eletrônicas para monitores de computador, televisores ou dispositivos portáteis, como o Kindle e-reader. 

Esse deslocamento de plantas de produção industrial em larga escala resultou, como assinala o professor O’Sullivan e seus colegas, em um processo de desvinculação de produção e inovação e afetou igualmente a capacidade de inovação dos EUA, ao gerar fenômenos de bloqueio tecnológico e destruição de bens industriais compartilhados. Mais recentemente, segundo esses autores, as grandes empresas também transferiram seus centros de pesquisa e desenvolvimento (P&D) para o exterior. Casos do investimento estratégico de pesquisa e desenvolvimento da DuPont na Índia ou dos novos centros de P&D da IBM na China. 

Essas dinâmicas se refletem claramente na drástica deterioração dos desempenhos comerciais dos Estados Unidos em produtos de alta tecnologia. Como se observa na Figura abaixo, os superávits comerciais ao longo da década de 1990 se converteram em déficit de quase US$ 100 bilhões em 2010.

De acordo com o NSTC, as tendências mundiais atuais em P&D, inovação e comércio exterior levantam preocupações com a competitividade dos Estados Unidos na manufatura avançada. Em 2009, os EUA ocuparam o oitavo lugar entre os países industrializados para a intensidade de P&D (definida como P&D nacional em proporção do PIB), de acordo com a Organização de Cooperação e Desenvolvimento Econômico (OCDE). Em um relatório da Fundação de Tecnologia da Informação e Inovação em 2011, os EUA apareciam classificados em 4º lugar entre 44 países e regiões industrializadas na competitividade mundial baseada em inovações. Porém, no quesito progresso no sentido de aumentar a competitividade e a capacidade de inovação desde 2000, a classificação do país caiu para penúltimo lugar. Atualmente, países como Alemanha, Coréia do Sul e Japão têm mais setores industriais intensivos em P&D do que os EUA. 

Essas tendências preocupantes foram acompanhadas por um crescente declínio e incerteza no financiamento público de P&D desde meados da década de 1980, bem como uma nova crise nacional de escassez de trabalhadores qualificados. Estima-se que cerca de 60% da força de trabalho de ciência e engenharia nos EUA serão elegíveis para aposentadoria nos próximos cinco anos e que a produção atual de habilidades é completamente insuficiente para corresponder às necessidades nacionais atuais e futuras. De fato, a proporção de estudantes que obtém diploma em ciência e engenharia é inferior a 5%, em comparação com 12% na Europa (principalmente na Alemanha) e mais de 20% na Ásia.

A perda de tais capacidades de produção afeta tanto a economia como a segurança nacional dos EUA, dado que o país depende fortemente de sua base industrial para produzir armas, aeronaves, veículos, navios e outros equipamentos necessários para proteção da nação. De acordo com o NSCT, o Comitê da Lei de Produção para a Defesa (DPAC), criado em 2009, pela Administração Obama, identificou uma série de necessidades vitais do governo que os EUA atualmente não conseguem atender mediante produção doméstica segura e confiável. A análise do DPAC também revelou várias tecnologias-chave para as quais uma iminente falta de produção dos EUA provavelmente criará vulnerabilidades de segurança nacional. Uma amostra de vulnerabilidades específicas inclui trem de pouso das aeronaves; componentes do vagão ferroviário; discos de rotores para grandes turbinas; peças do motor do foguete; sistemas de lançamento de mísseis; veículos aéreos e terrestres não tripulados; componentes da energia nuclear; fuselagens de aeronaves; veículos orbitais; roteadores e comutadores de rede; transporte óptico de dados; eletrônicos de potência avançada; compósitos de baixo custo; e condutores de transmissão.

A forma como os EUA enfrentaram esses desafios estruturais emergentes caracterizou-se principalmente por uma forte ênfase nas políticas de inovação, mais do que em políticas industriais como tais. Como destaca O’Sullivan e outros, na avaliação do governo federal norte-americano, "enquanto os Estados Unidos evitarem políticas industriais – apostas em empresas e indústrias específicas – devem ser ousados em seguir uma política de inovação". Portanto, a ênfase das políticas é concentrada nas atividades de promoção tecnologias intersetoriais de propósito geral. 

Nesse sentido, além de propor a criação e o financiamento de uma variedade de iniciativas (por exemplo, a Parceria de Manufatura Avançada, Iniciativa Nacional de Robótica, Iniciativa de Genoma de Materiais) voltadas à promoção da indústria de transformação dos EUA, a Administração Obama divulgou, em fevereiro de 2012, uma estratégia compreensiva para orientar os investimentos federais em P&D de tecnologia avançada. Esse documento assinala que “a aceleração da inovação para a indústria avançada exige reduzir uma série de lacunas no atual sistema de inovação dos EUA, particularmente o fosso entre as atividades de P&D e a introdução de inovações tecnológicas na produção doméstica de bens”. 

Seguindo as recomendações do grupo de trabalho que elaborou o plano estratégico, o governo federal incluiu na proposta orçamentária, para o ano fiscal de 2013, enviada ao Congresso a previsão de recursos obrigatórios da ordem de US$ 1 bilhão para a criação de uma Rede Nacional de Inovação Industrial (NNMI). Inspirada no modelo dos Institutos Fraunhofer da Alemanha, essa rede de "Institutos de Inovação Industrial" (IMIs) regionais foi projetada para acelerar o desenvolvimento e a adoção de tecnologias industriais avançadas com aplicações amplas e para apoiar a comercialização de tecnologia de fabricação, superando o fosso entre laboratório de pesquisa e mercado. Paralisado por disputas políticas, o Congresso não aprovou a proposta do presidente. No entanto, a Governo Federal usou os créditos orçamentários existentes do Departamento de Defesa e as dotações regulares do ano fiscal de 2012 para credenciar um instituto piloto, o Instituto Nacional de Inovação em Manufatura Aditiva, referindo-se a ele como "uma prova de conceito para os potenciais institutos subsequentes". 

O Plano Nacional Estratégico para a Manufatura Avançada e os Institutos de Inovação Industrial serão tratados mais adiante com maiores detalhes. A seguir, é apresentado um breve histórico das ações do governo federal dos Estados Unidos na promoção da pesquisa tecnológica de ponta e da inovação industrial. 

Antecedentes da Ação Governamental em Prol da Inovação Industrial 

Nos Estados Unidos, o papel ativo do governo federal na promoção da inovação industrial decorreu principalmente da Segunda Guerra Mundial, ocasião em que empreendeu uma série de grandes esforços tecnológicos em estreita colaboração com a indústria, laboratórios da indústria e pesquisadores universitários. No final da guerra, contudo, o único elemento desse sistema que foi preservado foi a pesquisa básica realizadas nas universidades, com financiamento federal e apoiadas pelas agências e organismos federais de pesquisa. Segundo o professor William Bonvillian, como o sistema de produção industrial baseado em produção em massa dominava a produção mundial, o desafio principal, na avalição do governo, era criar uma base de pesquisa fundamental, dando continuidade ao que havia sido iniciado durante a guerra. 

Por essa razão, quando os EUA construíram um sistema nacional de inovação apoiado pelo governo federal, esse foi organizado em torno de atividades de P&D em estágio inicial. A aplicação da inovação na produção industrial sequer foi considerada. Para Bonvillian, a experiência americana contrasta fortemente com as da Alemanha e do Japão, que tiveram que reconstruir suas bases industriais no pós-guerra. Enquanto esses dois países se concentraram na inovação liderada pela indústria de transformação, os Estados Unidos se concentraram na inovação liderada pela pesquisa básica. Como a produção de novas tecnologias é uma parte importante dos sistemas nacionais de inovação, sistema de inovação dos EUA permaneceu incompleto. 

Na interpretação de Bonvillian, devido a essa lacuna, a indústria dos Estados Unidos enfrentou sérios problemas durante os anos 1970 e 1980 com a forte concorrência da produção japonesa. O Japão inovou em tecnologias e processos de produção para criar bens manufaturados de qualidade, capturando grandes partes dos setores de automóveis e de eletrônicos de consumo. Segundo o autor, contente com seu modelo de produção em massa, os EUA não participaram desse avanço e tiveram que lutar durante anos para recuperar o atraso.

De acordo com o autor, como parte dos esforços em se aproximar dos avanços japoneses na produção industrial, os EUA criaram uma série de novos programas voltados para a indústria de transformação na década de 1980 para complementar a ênfase na pesquisa básica: 

  •     A Lei Bayh-Dole, aprovada em 1980, foi a primeira da nova geração de leis de competitividade. Historicamente, o governo federal detinha os direitos sobre os resultados das pesquisas financiadas com recursos governamentais. Se o governo federal não aplicasse a tecnologia, a propriedade intelectual ficava na prateleira. O ato transferiu a propriedade de resultados de pesquisa financiados pelo governo federal para as universidades onde a pesquisa foi realizada, dando às universidades uma participação em sua comercialização e estimulando um papel de empreendedorismo para pesquisadores universitários. 

  •     A Parceria de Extensão da Indústria Manufatureira (MEP) foi autorizada pelo Congresso em 1988, com base no sucesso do programa de extensão da agricultura. Essa parceria visava trazer as últimas tecnologias e processos de produção para pequenos fabricantes em todo o país, aconselhando-os sobre os últimos avanços tecnológicos para promover ganhos de produtividade. O MEP formou centros de extensão em todos os estados da federação, os quais compartilharam os custos, apoiado por um pequeno staff do Departamento do Comércio, encarregado de avaliações de programas e transmissão de melhores práticas aos centros estaduais.

  •     O Programa de Pesquisa em Inovação de Pequenas Empresas (SBIR), criado em 1982, oferece recursos concessionais, em moldes competitivos, para financiamento de pesquisa e desenvolvimento de empresas pequenas iniciantes. Administrados pelas 11 maiores agências federais de P&D como parte de seus programas de pesquisa, os recursos do SBIR destinavam-se a assegurar que empresas pequenas, de alta tecnologia e inovadoras, faziam parte dos esforços de P&D do governo federal.

  •     Programa de Tecnologia Avançada (ATP) foi criado em 1988 como um programa do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) do Departamento de Comércio para financiar uma base ampla de P&D de alto risco e alta recompensa realizada pela indústria. Embora tivesse tido sucesso criando projetos de desenvolvimento de estágios avançados de novas tecnologias, na década de 2000, o Congresso gradualmente eliminou o funding o programa por considerá-lo como uma "política industrial" excessivamente intervencionista federal.

  •     A Sematech foi formada por um consórcio de fabricantes de semicondutores e fabricantes de equipamentos que, no final da década de 1980, enfrentavam um iminente desaparecimento frente aos fortes concorrentes do Japão. Como a tecnologia de semicondutores era fundamental para muitos sistemas de defesa, o esforço tinha implicações de segurança nacional, de modo que o financiamento da indústria foi complementado com recursos governamentais provenientes da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada da Defesa (DARPA), vinculada ao Departamento da Defesa. O consórcio centrou-se em grandes melhorias de eficiência e qualidade na produção de semicondutores e chips. Após cinco anos, a liderança da indústria foi restaurada e o financiamento da DARPA terminou em 1996. A Sematech continuou como uma organização-chave de planejamento tecnológico para manter a indústria de microeletrônica dos Estados Unidos em linha com o roteiro preditivo da lei de Moore. O modelo Sematech é o mais próximo das abordagens organizacionais que foram consideradas pelo governo federal no período 2010-12.

Na avaliação de Bonvillian, esses programas relacionados à indústria de transformação permaneceram modestos e de escala limitada porque, no início da década de 1990, os EUA, com base nos avanços do seu forte sistema de inovação orientado para a P&D em pesquisa básica, conseguiram liderar o lançamento da revolução da tecnologia de informação. Os EUA entraram em uma década de forte crescimento do PIB e da produtividade e, em grande parte, esqueceu-se da indústria. A concorrência emergente da indústria da China, exacerbada pela Grande Recessão, teria forçado, segundo o autor, outro despertar.

Já o professor Eoin O’Sullivan e seus colegas da Universidade de Cambrige consideram que o sistema de inovação tem sido um dos principais impulsionadores do sucesso industrial dos EUA. Tradicionalmente, o sistema de inovação foi articulado em torno de uma rede de pesquisa em universidades e laboratórios nacionais amplamente financiados publicamente, bem como um conjunto de agências e organismos federais, como o Departamento de Defesa, os Institutos Nacionais de Saúde, a Fundação de Ciência Nacional (NSF), Instituto Nacional de Normas e Tecnologia (NIST), os Departamentos de Defesa, Energia e Agricultura e, finalmente, a Administração Nacional de Aeronáutica e do Espaço. Embora outros países tenham entrado agressivamente na corrida tecnológica, os EUA ainda lideram o mundo em gastos de pesquisa e patentes. 

Como se sabe, durante todo o período da guerra fria, o governo federal norte-americano por meio do Departamento da Defesa (DoD) apoiou fortemente atividades industriais consideradas vitais para a segurança nacional. Com esse propósito foi criado em 1956, os programas ManTech, administrados pelo Exército, Marinha, Força Aérea e pela Agência de Logística de Defesa (DLA, na sigla em inglês). De acordo com o NSTC (2012), desde a sua origem, o ManTech fornece o vínculo crucial entre invenção tecnológica e aplicações robustas em toda a base industrial de defesa dos EUA, amadurecendo e validando tecnologias industriais de ponta para promover a aplicação de baixo risco pela indústria e instalações do DoD. Além de programas como o ManTech, o DoD atua por meio do DARPA, respondendo por metade dos gastos federais em P&D.

As iniciativas atuais e planejadas dos Programas ManTech incluem, desde 2009, o desenvolvimento de tecnologias e processos de produção industrial avançados para a produção acessível e oportuna e para a manutenção de sistemas de defesa. Em estreita parceria com a indústria, o programa impacta todas as fases do desenvolvimento, aquisição e sustentação do sistema através do desenvolvimento, amadurecimento e transição de tecnologias avançadas de fabricação avançada. Os investimentos estão focados nas tecnologias que têm o maior benefício para os combatentes e são equilibradas para apoiar a transição de tecnologias emergentes, melhorias para as empresas de produção existentes e o fortalecimento da base industrial dos EUA. O ManTech possui uma longa história de fornecimento de tecnologias e processos avançados de produção, como máquinas controladas numericamente, compósitos de fibra de carbono, fabricação de microeletrônica, radares avançados, munições guiadas a laser, métodos de produção enxuta, ótica avançada e armaduras avançadas. Muitas tecnologias industriais de defesa se disseminaram nos mercados comerciais e resultaram em grandes avanços econômicos para os EUA. 

Os gastos federais em P&D são principalmente focados no desenvolvimento de tecnologias em defesa, espaço, saúde, energia e meio ambiente, ou em um número selecionado de indústrias. O suporte financeiro governamental é concedido por meio de bolsas de pesquisa em resposta a propostas públicas, competitivas, e a promoção de parcerias público-privadas. Em 2012, segundo O’Sullivan e outros, 75% do P&D federal destinado à indústria de transformação se concentravam em dois setores, a saber, aeroespacial e instrumentos. 

Independentemente da composição do Congresso ou do presidente no poder, a agenda de políticas industriais do governo federal dos EUA tem, segundo os autores, sido fundamentalmente focada em: (i) reconstruir condições estruturais para a competitividade industrial dos EUA, proporcionando acesso a habilidades e financiamento para pequenas e médias empresas (PME) e reduzindo os custos enfrentados pelas empresas, como os relacionados a saúde, impostos e energia; (ii) a criação de uma "área de jogo equitativa" e garantir o acesso aos mercados internacionais através de acordos bilaterais e a aplicação dos regulamentos da Organização Mundial do Comércio; (iii) impulsionar a P&D de manufatura avançada alocando recursos para ciência e inovação tecnológica e apoiando agências ou programas especiais. 

Segundo O’Sullivan e outros, na última década houve mudança na maneira de aplicação dos instrumentos de política. A crise financeira foi apenas parcialmente responsável por essa mudança, embora estimulasse a repensar o papel do governo federal e legitimasse os argumentos de falha do mercado que, desde então, se tornaram cada vez mais evidentes em documentos políticos. Em 2009-2010, os esforços da Administração Obama se concentraram na criação de emprego no curto prazo e na recuperação do setor automotivo falido. O American Recovery and Reinvestment Act (ARRA) aprovado em 2009 foi um pacote de estímulo de US$ 787 bilhões, com medidas de resgates de empresas "muito grandes para falir", como a General Motors, e suporte financeiro para iniciativas de energia limpa, que incluíam garantias de empréstimos para energias renováveis, projetos de transmissão de eletricidade e soluções de redes inteligentes de distribuição de energia, mas também subvenções para baterias e materiais-chave e projetos de pesquisa como os financiados pela ARPA-E (Advanced Research Projects Agency-Energy). 

Superada a emergência da crise, o governo do presidente Obama anunciou aumentos significativos no financiamento de medidas selecionadas de administrações anteriores, bem como uma série de novas políticas de estímulos. Além de um conjunto de medidas voltadas à criação de empregos, ampliação das exportações e ao apoio financeiro das pequenas e médias empresas, em particular àquelas especializadas na ampliação e fabricação de sistemas e componentes tecnológicos altamente específicos, também foram introduzidos vários incentivos e programas destinados a reconstruir as condições estruturais para a indústria de transformação dos EUA. Igualmente, foram concedidos incentivos financeiros e alívio fiscal para investimentos em instalações e equipamentos e foram lançadas cem novas escolas secundárias focadas em ciência, tecnologia, de engenharia e matemática (STEM, na sigla em inglês) e esquemas de incentivo para aumentar as taxas de graduação da STEM. 

No contexto da crise econômica, o Escritório de Política de Ciência e Tecnologia da Casa Branca (OSTP) preparou vários estudos e recomendou um enfoque estrutural de longo para as ações do governo federal em prol da indústria. E o Conselho Nacional de Ciência e Tecnologia (NSTC), presidido pelo próprio presidente da República, lançou em junho de 2011, duas iniciativa multi-agências, a Iniciativa de Genoma de Materiais para a Competitividade Global, que destinou US$ 100 milhões ao financiamento multianual de projetos e infraestrutura de inovação em matérias avançados e a nova Iniciativa Nacional de Robótica, que prevê financiamento anuais da ordem de US$ 70 milhões para novos projetos em robótica, bem como anunciou a criação do programa Parceria para Manufatura Avançada (AMP, na sigla em inglês) e o Escritório Nacional de Programas de Produção Avançada (AMNPO, na sigla em inglês). 

Com recursos da ordem de US$ 500 milhões, a Parceria para Manufatura Avançada reuniu representantes da indústria de transformação, das universidades e das agências federais, dirigido conjuntamente pelo diretor executivo da Dow Chemical e pelo presidente do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), para estimular investimentos em tecnologias emergentes que podem melhorar a fabricação e criar novos negócios e empregos. Do lado da indústria, a AMP incluiu diretores executivos de um grupo diversificado de grandes empresas, distribuídas por vários setores industriais. Do lado da universidade, o AMP incluiu presidentes de cinco universidades fortes em engenharia e ciência aplicada. Do lado do governo federal, além do presidente do Conselho Econômico Nacional (NEC), e do Secretário de Comércio interino, participavam representantes do NIST do Departamento de Comércio, da Divisão de Engenharia da NSF, do Escritório de Eficiência Energética e Energias Renováveis (EERE) do Departamento de Energia e do Departamento de Defesa por meio dos programas Mantech.

A partir do lançamento da Parceria para a Manufatura Avançada (AMP), a Administração Obama concentrou seus esforços para impulsionar e coordenar o P&D industrial mediante a elaboração de uma estratégia abrangente voltada à manufatura avançada, a identificação de tecnologias prioritárias e a proposta de criação de uma rede nacional de institutos de inovação industrial. 

A Estratégia Nacional de Manufatura Avançada

Publicado pelo NSTC em fevereiro de 2012, o Plano Nacional Estratégico de Manufatura Avançada foi elaborado por um grupo de trabalho interagências, a partir das recomendações e sugestões da AMP. Nos relatórios que produziu, ouvindo representantes da indústria e pesquisadores acadêmicos, a AMP sugeriu priorizar os investimentos federais em tecnologias transversais críticas com base em critérios como necessidade nacional, demanda global, competitividade da indústria dos EUA e prontidão tecnológica. 

Na avaliação do grupo de trabalho, a manufatura avançada está emergindo como um motor especialmente potente do crescimento econômico futuro. Manufatura avançada é uma família de atividades que (a) dependem do uso e coordenação de informações, automação, computação, software, detecção e rede, e / ou (b) utilizam materiais de ponta e capacidades emergentes habilitadas pelas ciências físicas e biológicas, como a nanotecnologia, a química e a biologia. Envolve tanto novas formas de fabricação de produtos existentes quanto à fabricação de novos produtos que surgem das novas tecnologias avançadas. 

Uma característica distintiva da manufatura avançada é a melhoria contínua dos processos e a rápida introdução de novos produtos. É esse aspecto de mudança de paradigma de produção avançada que tem o maior potencial para viabilizar o surgimento de indústrias inteiramente novas e de métodos de produção que são mais propensos a "permanecer" nos Estados Unidos porque são difíceis de imitar. 

A concorrência global em manufatura avançada está crescendo mais intensamente à medida que os ciclos de vida da tecnologia são acelerados. Um ciclo de vida começa com o conceito básico de uma tecnologia. Para muitas tecnologias, o conhecimento científico criado mediante a pesquisa básica fornece as ideias-chave que tornam possível o conceito básico. Então o conceito é validado, em geral, por meio de pesquisa aplicada. Em seguida, os esforços de desenvolvimento amadurecem a tecnologia em um protótipo de um produto comercial. Finalmente, as atividades de comercialização e ampliação convertem o protótipo em um produto comercialmente viável e aumentam a escala de produção para um nível economicamente viável, respectivamente. As empresas normalmente recuperam os custos do investimento em tecnologia através dos lucros na fase de expansão.

A aceleração do ciclo de vida aumenta a importância de ganhar participação de mercado na fase de comercialização, de modo que os produtores domésticos possam aproveitar as enormes oportunidades associadas à fase de expansão. Além de gerar ganhos, a ampliação da escala exige, atualmente, alcançar economias de escopo ao produzir rapidamente versões alternativas do mesmo produto-base para satisfazer diversos clientes globais.

A manufatura avançada é uma questão de importância fundamental para a força econômica e a segurança nacional dos EUA. Além de oferecer empregos de alta qualidade, a manufatura avançada é uma importante fonte de exportações. Ademais, é uma fonte-chave de inovação tecnológica e fornece bens e equipamentos essenciais para as forças armadas, a comunidade de inteligência e agências de segurança interna. Na avaliação do grupo de trabalho, esses impactos justificam a atenção do Congresso e do Executivo às políticas federais que afetam a manufatura avançada.

Além dos princípios que são apresentados a seguir, a estratégia norte-americana busca atingir cinco objetivos, que, de acordo com o documento, estão interligados, de modo que o progresso em qualquer um deles facilitará os progressos nos outros:

1. Acelerar o investimento em tecnologia de produção industrial avançada, especialmente pelas pequenas e médias empresas industriais, promovendo o uso mais eficaz das capacidades e instalações federais, incluindo a aquisição antecipada de produtos de ponta por agências federais.
2. Ampliar o número de trabalhadores que possuem as habilidades necessárias para um setor de produção manufatureira avançada e tornar o sistema de educação e treinamento mais receptivo à demanda por competências. 
3. Criar e apoiar parcerias nacionais e regionais público-privadas, governo-indústria-academia, para acelerar o investimento e a aplicação de tecnologias de manufatura avançada
4. Otimizar o investimento industrial avançado do governo federal, adotando uma perspectiva de portfólio entre agências e ajustando-se adequadamente.
5. Aumentar o total de investimentos públicos e privados dos EUA em pesquisa e desenvolvimento (P&D) em produção industrial avançada. 

Um grande número de agências federais, coordenadas pelo NSTC, desempenha importantes papéis na aplicação da estratégia, que estabelece, ainda, indicadores de curto e longo prazo para cada um dos objetivos.

Política de Inovação para Manufatura Avançada. Os desafios para a competitividade da manufatura avançada dos EUA têm o potencial de minar a capacidade do país de criar empregos, inventar novas indústrias e proteger-se das ameaças à segurança no século XXI. Os EUA devem responder a esses desafios com uma política de inovação para manufatura avançada que aborda (1) a complexidade dos elementos públicos e privados das tecnologias industriais modernas e (2) as maneiras pelas quais esses elementos mudam ao longo do ciclo de vida da tecnologia.

Uma política de inovação para a manufatura avançada deve ser capaz de responder a uma série de falhas no mercado. Os mercados às vezes não proporcionam incentivos adequados aos fabricantes para fazer investimentos específicos que possam beneficiar a economia no longo prazo. Por exemplo, as tecnologias de alto risco podem ser negligenciadas se as empresas não tiverem certeza de que elas colherão os benefícios de investir nelas. As habilidades dos trabalhadores, também, podem estar sujeitas a falhas do mercado. Um empregador pode ter receio de que um trabalhador que receba um treinamento deixe o emprego antes que tal treinamento lhe seja rentável, enquanto o trabalhador pode não ter os meios financeiros para pagar o treinamento por conta própria. Os investimentos federais em pesquisa, tecnologia e educação e treinamento ajudaram a criar e acelerar novas indústrias no passado (como a indústria de semicondutores) quando as forças do mercado por si só não o teriam feito.

Como já mencionado, a abordagem norte-americana tradicional da inovação enfatizou, sobretudo, os investimentos federais em pesquisa básica. Esse tipo de investimento, que é uma resposta efetiva a uma falha de mercado importante e contínua, continua a pagar dividendos extraordinários, criando oportunidades para avanços tecnológicos em apoio ao crescimento econômico e à segurança nacional. Os EUA lideram o mundo em ciência, e deve continuar a se esforçar para manter essa condição.

No entanto, as recompensas dos investimentos federais em pesquisa básica não foram totalmente capturadas pelas instalações de produção manufatureiras avançadas localizadas nos EUA. Em parte devido às estratégias nacionais dos concorrentes e em parte devido à crescente complexidade da tecnologia industrial, os investimentos privados em capacidades de produção avançadas podem não ocorrer domesticamente, a menos que o setor público faça investimentos estratégicos para enfrentar as falhas do mercado em etapas do processo de inovação a jusante a partir da pesquisa básica. Muitos desses investimentos públicos devem ser coordenados com co-investimentos privados para criar ativos como habilidades trabalhistas, tecnologias pré-competitivas e infraestrutura compartilhada.

Portanto, um princípio básico de uma estratégia nacional efetiva para a manufatura avançada é adotar uma abordagem coerente para pesquisa, desenvolvimento e aplicação. A abordagem começa com uma comercialização mais efetiva de tecnologias desenvolvidas como resultado da pesquisa básica, financiadas pelo governo federal, por laboratórios nacionais e universidades. Mais fundamentalmente, envolve uma ênfase federal mais forte em P&D que melhore os processos de fabricação e apoie o aumento de escala, em parte, permitindo um melhor acesso dos usuários às instalações equipadas com tecnologias de manufatura avançadas. Além disso, são inestimáveis os programas de educação e treinamento de mão-de-obra que ajudem os americanos a se tornarem trabalhadores industriais altamente qualificados.

Fortalecimento do “Industrial Commons”. Na avaliação dos membros do NTSC, um enfoque coerente de pesquisa, desenvolvimento e de aplicação é particularmente importante para incentivar o investimento em processos avançados de produção de alto impacto por pequenas e médias empresas (PMEs). As PMEs compreendem 86% de todos os estabelecimentos industriais e empregam 41% da força de trabalho da indústria de transformação dos EUA, porém, com frequência, demoram a adotar novas tecnologias. Aquelas PMEs altamente inovadoras são muitas vezes intimamente ligadas a comunidades geograficamente concentradas ou "clusters industriais". Esses clusters contêm outras PMEs inovadoras, empresas maiores que geralmente dependem de fornecedores menores, instituições acadêmicas e de treinamento e outras organizações de apoio. 

Os clusters fortalecem o que os especialistas em inovação chamaram de "industrial commons". Os setores industriais comunais oferecem a muitos dos produtores, em particular as PMEs, a chance de atualizar sua base tecnológica a partir do compartilhamento de um conjunto de ativos de conhecimento e instalações físicas. Estes recursos comuns ajudam a acelerar a inovação e a subsequente penetração no mercado. Os padrões para interfaces do sistema, métodos de medição e teste e sistemas de controle de processos, por exemplo, permitem que as empresas dentro de uma cadeia de suprimentos ou mesmo empresas que competem entre si alinhem suas diversas capacidades de produção e processos com oportunidades para atender clientes em diferentes mercados. Da mesma forma, as tecnologias da plataforma em áreas como o processamento de nanomateriais, manufatura aditiva, a robótica avançada, a produção "inteligente" e a química verde são ativos que muitas empresas de um cluster industrial podem tirar proveito, mas que nenhuma empresa pode tipicamente produzir por conta própria.

O próprio espaço industrial comum deve ser atualizado através de investimentos contínuos para manter a base de conhecimento e a infraestrutura física na vanguarda da tecnologia. Pode ser difícil para as empresas que se beneficiarão deles realizar esses investimentos individualmente, uma vez que não conseguem capturar todos esses benefícios. A coordenação de investimentos entre empresas também está sujeita a falhas do mercado. Tais investimentos também podem ser percebidos como muito arriscados para o setor privado fazer porque os períodos de maturação são longos. O risco é aumentado em muitos casos pela perspectiva de que as entidades ligadas ao governo em outros países possam fazer investimentos similares destinados a beneficiar as empresas concorrentes. O setor público, e em particular as agências federais, tem, portanto, um papel importante a desempenhar como co-investidor com empresas de manufatura avançada nos bens industriais comuns.

Um grande investimento público nos bens industriais comunais renderia uma variedade de benefícios. Isso tornaria mais produtivos os investimentos em pesquisa básica para a economia. Isso fortaleceria as habilidades dos trabalhadores que já atuam ou podem entrar na força de trabalho da manufatura avançada. E reduziria o risco de investimento privado em P&D aplicado a produtos específicos, o que conduziria a taxas mais altas de adoção de tecnologia e inovações mais diversas para produtos específicos.

Otimização dos Investimentos Federais. Uma estratégia nacional para a manufatura avançada deve coordenar os investimentos federais entre as agências de forma mais eficaz. Atualmente, os investimentos federais em pesquisa, desenvolvimento e aplicação relacionados à manufatura avançada são fornecidos em grande parte por meio de programas de agência focados na realização de objetivos específicos da missão. O portfólio interagência resultante pode não considerar de maneira adequada a forma como certos investimentos beneficiariam várias agências e indústrias, além de contribuir para a competitividade econômica em geral. Uma política de inovação de todo o governo que complemente o trabalho das agências individuais e adote uma visão de portfólio dos investimentos em produção avançada resolveria esse problema.

Várias agências federais realizam investimentos em pesquisa, desenvolvimento e implantação que beneficiam direta ou indiretamente as empresas de manufatura avançada nos EUA. Esses investimentos geralmente são feitos por agências que independentemente cumprem suas missões legais. Os benefícios desses investimentos podem ser aumentados analisando-os como um portfólio e ajustando as estratégias de investimento das agências para refletir essa análise. Tais ajustes podem ser feitos sem comprometer a capacidade de resposta das agências às suas missões individuais. De fato, o desenvolvimento mais eficiente e rápido das novas plataformas tecnológicas melhorará a execução das missões das agências.

O Governo Federal faz investimentos em P&D de manufatura avançada e em alguns tipos de plantas e equipamentos que a indústria privada geralmente evita. Estes investimentos de alto risco ajudam a posicionar tecnologias nascentes promissoras (1) para ampla adoção e comercialização, ou (2) atender às necessidades essenciais de segurança nacional identificadas pelo DPAC. Esses investimentos podem ser agrupados em quatro categorias: materiais avançados; plataformas tecnológicas de produção; processos avançados de fabricação; infraestrutura de dados e design.

Essas quatro categorias abrangem todo o espectro de investimentos relevantes em tecnologia de manufatura avançada, desde materiais que irão entrar nos produtos do futuro até a fábrica e processos empresariais que permitem a produção. Criar uma carteira de investimentos coordenada em todas as quatro categorias aumentará a competitividade global da indústria dos EUA e ajudará a criar um ambiente doméstico fértil para a inovação.

As agências federais podem alavancar seus recursos para investir em projetos que, de outra forma, não teriam recursos para apoiar por conta própria, colaborando com outras agências em financiamento conjunto de solicitações e cofinanciamento de projetos. Esses investimentos industriais transversais devem ser utilizados para fortalecer os bens comuns industriais de forma a beneficiar todas as agências participantes (e suas partes interessadas). Por exemplo, as agências poderiam cofinanciar materiais avançados e novos métodos de design que diminuem drasticamente o tempo de comercialização das inovações. Esses elementos específicos geralmente estão fora do alcance de qualquer agência ou entidade do setor privado, mas são coletivamente vistos como críticos para avançar os principais interesses nacionais. As agências individuais podem complementar esses investimentos com investimentos adicionais que se concentram especificamente em suas missões ou necessidades únicas da agência. O recentemente criado Escritório do Programa Nacional de Manufatura Avançada (AMPO) fornece um mecanismo administrativo para coordenar e gerenciar esses investimentos.

Parcerias Público-Privadas. Uma estratégia nacional eficaz para a manufatura avançada também deve responder às necessidades do setor privado. A consulta público-privada sobre pesquisa, tecnologia e necessidades de força de trabalho em nível nacional complementará os processos consultivos que já existem em nível estadual e regional em todo o país. A já mencionada Parceria para Manufatura Avançada (AMP), lançada pelo presidente Obama em 2011, representou um passo inicial, mas importante, para melhorar o engajamento do setor privado em nível nacional. Em 2013, essa iniciativa foi renovada com a criação da AMP 2.0, que foi encarregada de colocar em prática as recomendações do plano estratégico de 2012, identificar novas estratégias e sugerir políticas complementares. 

A aceleração da inovação para a manufatura avançada exige superar o número de lacunas no atual sistema de inovação dos EUA. Os pesquisadores acadêmicos que trabalham em aspectos de importância para a manufatura avançada devem se comunicar de forma mais eficaz com os seus homólogos na indústria. Os investimentos federais em tecnologias e capacidades de fabricação avançada devem alinhar-se mais plenamente com investimentos similares realizados por estados e regiões e pelo setor privado. As parcerias entre atores diversos, variando por localização e objetivo, são uma pedra angular da presente estratégia para preencher essas lacunas.

As partes interessadas desta estratégia nacional incluem as agências federais representadas no Grupo de Trabalho Interagências e os representantes do Comitê da Lei de Produção de Defesa (DPAC); entidades públicas e privadas, estaduais, regionais e locais que apoiam clusters industriais e parcerias associadas; empresas industriais de todos os tamanhos; conjunto diversificado de instituições de ensino superior, incluindo universidades de pesquisa e faculdades comunitárias; trabalhadores e sindicatos; e o público em geral.

Treinamento e Qualificação de Mão de Obra. Como a produção avançada substitui a produção tradicional e as empresas industriais domésticas aprofundam seu investimento em tecnologias avançadas, os requisitos de habilidades para empregos industriais estão aumentando. Os empregadores da indústria de transformação percebem uma lacuna de habilidades: 67% das empresas pesquisadas recentemente por uma associação industrial relataram escassez de moderada a grave na disponibilidade de trabalhadores qualificados, mesmo em um período de desemprego geral elevado como o verificado no pós-crise de 2007/08. Certos setores, como aeroespacial, defesa, ciências da vida e dispositivos médicos, relataram níveis muito mais altos de escassez de trabalhadores qualificados.

A educação e o treinamento que antecipa e satisfaz as exigências de habilidades dos fabricantes avançados, embora permanecendo consistente com as projeções de longo prazo da demanda de mão-de-obra, é um componente-chave desta estratégia nacional. Aumentar a confiança do setor privado na disponibilidade de mão-de-obra especializada em manufatura avançada cria incentivos para que as empresas ampliem seus investimentos nos EUA. Esses programas devem ser direcionados particularmente às necessidades de força de trabalho das PMEs. À medida que a tecnologia de produção industrial mais avançada é adotada, o treinamento on-the-job torna-se mais caro e difícil para as empresas fornecerem, especialmente as PMEs.

Uma ênfase forte em ciência, tecnologia, engenharia e matemática (STEM) é necessária para preparar os alunos para uma variedade de opções educacionais pós-secundárias e uma ampla gama de oportunidades de carreira, incluindo as na manufatura avançada. Infelizmente, muitos estudantes que estão inclinados às carreiras, como técnicos em manufatura avançada que procuram obter um certificado técnico ou um diploma de faculdade comunitária, não receberam formação suficiente de STEM para ter sucesso no ambiente atual da indústria avançada. A campanha Educar para Inovar, lançada pelo Presidente Obama, tem como objetivo melhorar a participação e o desempenho na educação em STEM em parceria com empresas líderes, fundações e sociedades científicas e profissionais.

A percepção de que as carreiras na indústria são pouco atraentes e instáveis desencoraja alguns estudantes talentosos de explorá-las seriamente. As agências federais devem considerar a promoção de esforços que visam transformar essa percepção e considerar o desenvolvimento de materiais de comunicação que descrevam com precisão as oportunidades e o entusiasmo da manufatura do século XXI.

Nos últimos anos, tem havido um rápido movimento de base de "makers" que estão envolvidos em projetos do tipo "faça você mesmo", envolvendo eletrônicos, impressões 3-D e robótica. Esses projetos práticos inspiram os jovens a se destacarem no STEM e também podem interessá-los pela manufatura avançada. Algumas agências federais, como DARPA através do seu programa Mentor, estão apoiando o movimento “maker”. 

Outra questão importante relacionada à preparação de alunos para carreiras da indústria avançada é a necessidade de complementar a educação acadêmica tradicional com o desenvolvimento de conhecimentos especializados aplicados. O governo federal deve ser capaz de ajudar os esforços dos governos estaduais e locais no desenvolvimento de expertise aplicada aos novos programas pré-aprendizado industrial, reforçando as parcerias colaborativas entre a indústria local e as faculdades comunitárias. 

O feedback desses programas ajudará a alinhar os programas de estudo das escolas secundárias e os programas de educação de adultos nas zonas de cada faculdade comunitária. Alinhamento destes currículos com os currículos de quatro anos de estudos ajudará a criar um percurso atraente de carreira na manufatura avançada. Um exemplo crítico é a passagem de um diploma de dois anos de estudos para um eventual diploma de quatro anos, o que permitirá que os trabalhadores técnicos altamente qualificados busquem educação adicional e se qualifiquem para carreiras com maior remuneração.

Áreas de Prioridades para as Pesquisas Tecnológicas com Financiamento Federal

De acordo com o relatório do NSTC de 2016, a manufatura avançada fortalece a economia e a segurança nacional dos EUA, produz empregos de alta renda e gera inovação tecnológica - gerando prosperidade e crescimento econômico a longo prazo. A manufatura avançada também apoia as missões de muitas agências federais, desde a proteção da segurança nacional e da construção da competitividade dos EUA até o fortalecimento da empresa científica e de engenharia e fornecer soluções científicas tecnológicas transformadoras e além.

No entanto, a importância da manufatura avançada para ganhar o futuro nem sempre foi tão clara. Na verdade, o setor industrial dos EUA ainda está regressando de uma era sem essa visão crítica. As empresas industriais dos EUA estão atualmente revigorando os planos para os produtos de próxima geração que foram arquivados devido ao escasso capital, reciclando os trabalhadores nas mais recentes tecnologias necessárias para a competitividade em um mercado mundial e reconstruindo cadeias de suprimentos que foram desmanteladas por anos de offshoring. A transição para processos e produtos de fabricação avançados está ativamente em curso em muitos setores da indústria de transformação, em benefício de toda a nação.

Na avaliação do NSTC, sustentar esse progresso e garantir a liderança dos EUA na manufatura avançada requer participação do governo, indústria, academia e outras partes interessadas. Este amplo ecossistema deve alinhar as principais tecnologias que sustentam a competitividade dos EUA neste setor para fornecer uma base de prioridades para colaborações público-privadas e uma visão compartilhada de como avançar. As tecnologias emergentes promissoras sofrem de lacunas no suporte ao requisito de pesquisa e desenvolvimento pré-competitivo para desencadear novas indústrias. Os esforços colaborativos alavancam os bens comuns em benefício de todas as partes interessadas, superando os custos significativos do ciclo de desenvolvimento que são impraticáveis para qualquer entidade isolada. O governo federal pode servir como uma entidade imparcial para mobilizar as partes interessadas para abordar as tecnologias pré-competitivas. 

Além disso, o governo federal vem realizando investimentos substanciais em uma série de áreas avançadas de tecnologia de produção existentes. Essas áreas de tecnologia existentes também requerem apoio em todo o pipeline de desenvolvimento para alavancar plenamente os atuais investimentos em pesquisa e desenvolvimento e em infraestrutura. A ampliação das tecnologias avançadas desde as provas de conceito nos laboratório aos produtos de classe mundial em prateleiras comerciais requer um fluxo constante de trabalhadores altamente treinados para trazer os conhecimentos, competências e habilidades mais recentes para o local de trabalho. Por isso, os programas de educação e treinamento de força de trabalho industrial, que estimulam o forte envolvimento da indústria para garantir que os currículos atuais atendam as necessidades de força de trabalho de amanhã, são destacados. 

Tecnologias Emergentes. A manufatura avançada é viabilizada por uma infinidade de tecnologias. O relatório do NSTC de 2016 destaca cinco áreas de tecnologia que são foco de interesse generalizado entre as agências federais envolvidas na indústria avançada, bem como de uma colaboração ampliada entre o governo, a indústria e a academia. As áreas de tecnologia emergente em manufatura avançada que são prioridades atuais para o governo federal dos Estados Unidos e que são fortes candidatas para investimento federal focado e colaboração público-privada incluem: produção de materiais avançados, biologia de engenharia para avançar a bioprodução avançada, a bioprodução para medicina regenerativa, fabricação avançada de bioprodutos e fabricação contínua de produtos farmacêuticos. 

  •     Produção de Materiais Avançados. Quer sejam componentes automotivos leves fabricados a partir de novas ligas mais fortes do que o aço e com apenas uma fração do peso, ou materiais que foram projetados a nanoescala para transformar o calor residual em eletricidade, os materiais avançados permitem a produção de novos produtos com funções sem precedentes. Para aproveitar plenamente o surgimento de novos materiais avançados, o setor da indústria de transformação precisa de novas ferramentas e novos enfoques para adaptar seu design e rapidamente os produzir em escala. A produção de materiais avançados perpassa uma grande variedade de indústrias - como automotiva, aeronáutica, biomédica e eletrônica -, as que são importantes pilares da economia norte-americana e também são importantes para a defesa nacional. Esta área de tecnologia se apoia na liderança histórica da indústria dos EUA na fabricação de produtos de alta tecnologia, bem como sua liderança intelectual significativa em simulação de materiais e nanoprodução. 

A eficiência dos motores de turbina de alta temperatura, a biocompatibilidade das juntas e implantes de substituição, a vida útil das baterias avançadas e a eletrônica sofisticada, que torna possível o mundo digital, são determinadas por materiais que foram inventados e aperfeiçoados para a aplicação. Essas inovações dão forma ao mundo de hoje e são essenciais para a contínua inovação futura. No entanto, a transição de uma descoberta inicial de material para a aplicação comercial geralmente leva décadas. 

A latência típica entre a descoberta inicial de materiais avançados e o aumento da escala de produção do laboratório de pesquisa (gramas) para a produção comercial em grande escala (quilogramas, quilotons) é de 10 a 20 anos. O desenvolvimento de materiais e o desenvolvimento de processos devem ser grandemente acelerados para fornecer soluções tempestivas a importantes necessidades nacionais, como fornecer energia limpa, possibilitar a próxima geração de eletrônicos e fortalecer a segurança e defesa nacional. Embora a ciência e a engenharia sempre tenham fornecido modelos para o desenvolvimento de novos materiais e processos, avanços recentes na modelagem de materiais, na teoria, na computação de alto rendimento e na mineração de dados podem agora ser explorados para acelerar significativamente a descoberta e a aplicação de materiais avançados, ao mesmo tempo em que reduz seus custos. 

Reconhecendo a importância de materiais avançados no apoio a um setor de manufatura norte-americano impulsionado pela inovação, a o Governo Obama lançou, em 2011 a Iniciativa de Genoma de Materiais (MGI) com o objetivo de que os EUA descubram, desenvolvam, fabriquem e utilizem materiais avançados duas vezes mais rápido e com uma fração do custo dos métodos atuais. O MGI é uma nova abordagem holística para a ciência dos materiais que irá acelerar o ritmo de desenvolvimento avançado de tecnologia de design, produção e aplicação de materiais, dado que as propriedades dos materiais são quase sempre importantes para o processo de fabricação ou para o produto.

Os investimentos federais na fabricação de materiais avançados perpassam várias agências e afetam todas as etapas do ciclo de vida da inovação, desde o apoio a pesquisas de ponta em universidades e laboratórios dos EUA, até a infraestrutura necessária para transição desses avanços do laboratório para o mercado. As principais agências federais que apoiam o desenvolvimento e a produção de materiais avançados, incluindo o Departamento de Defesa (DoD), o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), a Fundação Nacional de Ciência (NSF), o Departamento de Energia (DoE), o Departamento de Agricultura (USDA), Administração Nacional de Aeronáutica e do Espaço (NASA) e Institutos Nacionais de Saúde (NIH). Os focos principais dos investimentos são: (1) o desenvolvimento de repositórios de dados e ferramentas de software preditivo para facilitar o projeto de materiais que vão desde novos metais estruturais até polímeros, que permitiriam automontagem direcionada para novos produtos eletrônicos avançados; e (2) tecnologia de sensores avançados e ferramentas de nanofabricação para suportar a produção em escala comercial de produtos de novos material, incluindo compósitos à base de nanotubos de carbono, meta-materiais ópticos e produtos biofarmacêuticos.

  •     Bioengenharia para avanço da bioprodução. A bioengenharia ou engenharia da biologia constitui o projeto e construção por atacado de novas partes e sistemas biológicos e o redesign de sistemas biológicos existentes para atender propósitos específicos. Esse domínio integra as abordagens de engenharia e de design assistido por computador com pesquisa biológica, para aproveitar o poder dos sistemas biológicos para fabricar produtos que são benéficos para a humanidade. A bioengenharia aproveita os avanços na biologia sintética, juntamente com outras novas tecnologias que permitem o projeto previsível de sistemas biológicos. Está cada vez mais claro que os avanços na bioengenharia e biologia sintética (por exemplo, edição do genoma), podem ser amplamente aplicados para a fabricação de produtos químicos, materiais e células. Nos EUA, a bioengenharia como um campo evoluiu a partir dos conhecimentos existentes de bioprocessamento (que permitiu a produção de enzimas e terapêuticas proteicas) e incorpora novas tecnologias de engenharia de organismos (incluindo biologia sintética e prototipagem rápida), padronização e interoperabilidade. 

Os EUA são atualmente líderes em pesquisa em bioengenharia e seus campos de ciência e tecnologia de apoio. O setor de bioeconomia dos EUA movimenta aproximadamente US$ 350 bilhões anualmente. O seu crescimento baseia-se, em parte, em rápidas melhorias no ciclo de concepção-construção-teste-aprendizagem para a criação de novos produtos biológicos, que incluem avanços na engenharia genética, sequenciamento de DNA e prototipagem de alto nível de sistemas biológicos, bem como a capacidade de descrever quantitativamente o comportamento dos sistemas biológicos. Descobertas, como as repetições palindrômicas curtas agrupadas e regularmente interespaçadas (CRISPR, na sigla em inglês), levaram a uma precisão sem precedentes na edição do genoma.

O investimento federal na última década apoiou, direta ou indiretamente, muitos desses avanços através do financiamento de centros, fundações, pequenas empresas e pesquisadores individuais. No entanto, é necessário um maior investimento para traduzir o desenvolvimento dessas novas ferramentas em tecnologias robustas que irão apoiar biomanufaturáveis reprodutíveis, novos produtos químicos que substituirão os produtos de consumo derivados da petroquímica, e novos materiais que irão apoiar a segurança nacional. Todavia, o investimento do governo federal em biocombustíveis associado à bioengenharia ficou para trás quando comparado com outras partes do mundo, especialmente os investimentos da Comissão Europeia que alavancam o conhecimento da indústria e as parcerias público-privadas. 

Segundo o NSTC, nos últimos anos, as agências federais, incluindo DoD (Força Aérea, Exército, Marinha e DARPA), DoE, o Escritório Federal de Investigação (FBI), NIH, NASA, NIST, NSF e o Instituto Nacional de Alimentos e Agricultura (NIFA) investiram em bioengenharia. Há uma amplitude significativa no foco das atividades dessas agências – que vão desde a compreensão da complexidade biológica e possibilidade de desenvolvimento de novas tecnologias até o desenvolvimento de ferramentas computacionais e de automação que facilitarão o desenho, construção e teste de novos organismos modificados; com foco em aplicações específicas à missão da agência.

  •     Bioprodução para Medicina Regenerativa. A medicina regenerativa e o uso clínico de células-tronco têm potencial para reparar ou substituir células, tecidos e órgãos disfuncionais, degenerados ou ausentes. Tais desenvolvimentos podem restaurar a forma, a função e a aparência dos nossos membros do serviço gravemente feridos, reduzir drasticamente as listas de espera para transplantes de órgãos, aumentar a disponibilidade de terapias básicas baseadas em células e, possivelmente, reduzir o custo de cuidados de saúde para tratamentos. Além disso, as células manipuladas podem ser usadas para redirecionar a função imunológica e permitir o surgimento de "imuno-oncologia". Sistemas microfisiológicos ("órgão em um chip"), um pequeno modelo de vida e trabalho de um tipo específico de tecido ou órgão, podem acelerar grandemente os testes de candidatos a medicamentos, detectar mecanismos de doenças e explorar novas terapias. Para realizar todo o potencial da medicina regenerativa, as células, tecidos e órgãos ativos (como cardiovascular, renal e neurológico) devem ser objeto de bioengenharia e fabricados em escala.

O governo federal investiu US$ 2,89 bilhões entre 2012-2014 em medicina regenerativa, principalmente para o desenvolvimento de técnicas e tecnologias terapêuticas. Embora tenha havido um aumento constante no financiamento para demonstrar a possibilidade de soluções biológicas regenerativas para algumas preocupações de saúde vexantes, existe uma necessidade crítica e crescente de se concentrar na engenharia de processos para alcançar a reprodutibilidade de fabricação para aumentar o alcance dos produtos terapêuticos emergentes.

Um desafio significativo para o desenvolvimento de produtos e terapias de medicina regenerativa é que o campo ainda está em transição de um empreendimento acadêmico para um industrial. Esta transição requer um enfoque rigoroso no início dos materiais, do processo e das características finais do produto para assegurar que os produtos sejam seguros, eficazes e tenham uma potência conhecida e uma vida útil previsível. A continuação da maturação do campo da medicina regenerativa é dependente da concepção e desenvolvimento de técnicas robustas de fabricação em larga  de escala de produção, um conjunto refinado de medidas e padrões que proporcionam confiança no produto, governança evolutiva, regulamentos harmonizados, desenvolvimento da força de trabalho e diversificação da cadeia de suprimentos para apoiar o desenvolvimento responsável e rápido das tecnologias de medicina regenerativa (células, tecidos e bioengenharia de órgãos).

Progressos importantes foram registrados nos conceitos básicos de terapia e diagnósticos baseados em células, incluindo: a obtenção de células iniciais de alta qualidade sob boas práticas de produção atuais, melhor compreensão e capacidade de controle do fenótipo celular e de tecido (particularmente para células troncos), desenvolvimento de sistemas de bancos de ensaio para produzir terapias a partir de células e / ou células dentro de uma matriz extracelular, e produzir grandes bancos de células-tronco pluripotentes. 

Um desafio fundamental é o desenvolvimento de meios de crescimento adequados para as células, a fim de aumentar as células na escala necessária para terapias práticas e assegurar a consistência do produto. Os sistemas atuais são muito ineficientes para células cultivadas em suspensão, e são, em grande parte, inexistentes para células aderentes e para manipulação de tecido específica ao paciente. Pesquisas sobre produção eficiente e segura de células e tecidos modificados e em escala comercial são necessárias para assegurar que essas terapias de precisão sejam economicamente e tecnicamente viáveis.

A fabricação de células e produtos de tecido é significativamente mais desafiadora do que a fabricação de produtos biofarmacêuticos. Isso ocorre porque os critérios de liberação de fabricação para células, tecidos e órgãos criados por bioengenharia são amplamente indefinidos; os mecanismos pelos quais esses produtos vivos produzem seus efeitos são mal compreendidos; e eles contêm células ativas que continuam a crescer e evoluir. Desafios adicionais para a fabricação de produtos baseados em células decorrem da complexidade do produto e do processo do biorreator. Esses desafios incluem: o design apropriado de biorreatores para células aderentes; caracterização do produto com medidas que preveem a eficácia clínica do produto; a definição de tolerâncias de variação nos tipos de células; como armazenar, enviar e entregar o produto com uma vida útil muito curta (de uma hora); e como avaliar a pureza do produto em minutos ou horas, em vez de dias. O desenvolvimento de métodos para abordar o armazenamento a longo prazo de células como um estoque de produção é essencial para aumentar sua flexibilidade, confiabilidade e custo-efetividade.

Como resultado da complexidade inerente a esses produtos, mesmo com a aplicação de ciência de medição avançada, produção efetiva continuará dependendo, em certa medida, do espírito de "o processo é o produto". Esse axioma testado no tempo da fabricação dos produtos biológicos enfatiza a importância de gerenciar o ambiente local em cada etapa, bem como os desafios únicos para cada tipo de célula ou tecido, particularmente quando o interesse terapêutico depende de células vivas ativas ao longo do tempo. Os processos atuais são mal controlados, ineficientes e muitas vezes inadequados para o crescimento de células em cultura em suspensão ou em micro portadores, enquanto ainda inexistem processos em grande escala para crescer células dentro de sua matriz extracelular.

O financiamento programático contínuo do desenvolvimento das tecnologias que compõem o campo da medicina regenerativa é realizado pelo DoD, pela Administração de Alimentos e Medicamentos (FDA), NIH, NIST, pelo Administração Nacional de Segurança Nuclear (DoE NNSA), NSF e pelo Departamento de Assuntos de Veteranos (VA). Embora o processo final de produção em escala comercial para qualquer produto seja de competência e responsabilidade do desenvolvedor, os investimentos federais no desenvolvimento de abordagens generalizáveis para o desenvolvimento comum de fabricação, desenvolvimento, aumento de escala e desafios de escala tem como propósito de reduzir os riscos associados ao desenvolvimento de numerosos produtos nesse domínio. Isso pode tornar a tecnologia atrativa o suficiente para que a indústria farmacêutica adote e use para desenvolver uma nova classe de produtos terapêuticos. Um produto de entrega provável dentro de cinco anos poderia ser um protótipo para a produção de células em uma escala maior: plataformas ampliadas, fechadas e totalmente automatizadas com monitoramento ambiental em linha, ensaios contínuos para fenótipo / potência celular, eficiência de custo / material e separações / Sistemas de purificação para células cultivadas em cultura em suspensão (por exemplo, glóbulos vermelhos e brancos). Ao longo de dez anos, são desejadas células aderentes para órgãos (por exemplo, coração, fígado, intestino, pulmão), idealmente dentro de suas matrizes apropriadas.

O apoio futuro do governo federal às tecnologias de fabricação de medicamentos regenerativos continuará a exibir fortes abordagens multidisciplinares e colaborativas. Os desafios técnicos existentes devem ser resolvidos para que se possa avançar neste campo para uso médico comum. Os avanços em pesquisa e desenvolvimento (P&D) serão mais eficientemente traduzidos para produtos comerciais através de uma estreita colaboração com o setor privado.

  •     Produção Avançada de Bioprodutos. Atualmente, os EUA utilizam, em média, mais de 19 milhões de barris de petróleo por dia, tanto como combustíveis e como matéria-prima para produzir produtos que vão desde produtos químicos até plásticos para muitos itens do dia a dia. Os bioprodutos, ou seja, produtos químicos de alto valor, biorreatores, materiais, combustíveis e outros intermediários baseados em biocombustíveis derivados de recursos biológicos renováveis, como resíduos agrícolas e florestais, possuem uma forte promessa de reduzir esse uso de petróleo e servir como espinha dorsal de uma bioeconomia emergente. 

De acordo com o NSTC, nos diais atuais, os Estados Unidos utilizam cerca de 400 milhões de toneladas de biomassa por ano para combustíveis, calor, materiais e enzimas industriais com importantes benefícios ambientais e econômicos. As receitas norte-americanas com biotecnologia industrial (combustíveis, enzimas e materiais) atingiram US$ 125 bilhões em 2012, com 1,5 milhão de empregos diretos em todos os setores da cadeia de suprimentos. O impacto econômico potencial da bioeconomia deve aumentar ainda mais até 2030, com a criação de mais um milhão de empregos, particularmente nas áreas rurais onde as matérias-primas são cultivadas. Os produtos bioprodutivos irão reduzir as emissões de gases de efeito estufa e fornecer uma fonte doméstica estável para esses produtos. 

Embora os EUA tenham alcançado grandes progressos na promoção do uso de matérias-primas produzidas de forma sustentável para alimentar a atividade econômica e o crescimento, a bioeconomia ainda está nos estágios iniciais. Ainda há um trabalho significativo para aumentar o uso de bioprodutos para substituir uma variedade de combustíveis e produtos à base de petróleo, tornar estes bioprodutos mais rentáveis em relação aos produtos à base de petróleo e melhorar ainda mais a sustentabilidade e os benefícios ambientais dos bioprodutos. Para que os EUA alcancem todo o potencial de uma bioeconomia doméstica, as principais barreiras precisam ser enfrentadas em toda a cadeia de suprimentos, incluindo matérias-primas, conversão e integração.

Uma cadeia de abastecimento robusta e estável que conecta diversas matérias-primas a instalações e mercados de produção é essencial para o sucesso da fabricação avançada de bioproduto em escala comercial. Com o apoio de colaborações público-privadas, o Governo Federal continua com o esforço sistemático para expandir a produção sustentável e a utilização da biomassa, apoiando atividades de pesquisa e desenvolvimento em toda a cadeia de suprimentos. A ampla gama de atividades federais é coordenada através do Conselho de Pesquisa e Desenvolvimento da Biomassa, co-presidido pelo DoE e pelo USDA.

Os investimentos federais iniciais ajudaram a estabelecer alguns dos processos e plataformas necessários para gerar produtos intermediários e de uso final de alto valor, apoiando o crescimento da fabricação de bioprodutos nos EUA. Exemplos incluem a pesquisa genômica sobre culturas de matéria-prima de bioenergia e processos únicos e micróbios para converter matérias-primas em bioprodutos, exploração de práticas de manejo sustentável, desenvolvimento de processos de conversão de biomassa e expansão de infraestrutura de bioenergia e estimativas de custo / benefício de produção de energia renovável e subprodutos. Esses investimentos alavancam pesquisa corporativa e investimento privado, levando a mais aplicações, custos mais baixos e sustentabilidade superior de futuros combustíveis renováveis e produtos químicos. É necessário um investimento público-privado adicional focado em capacidades transversais de fabricação de biocombustíveis.

  •     Fabricação Contínua de Produtos Farmacêuticos. A fabricação contínua é a integração de vários sistemas de processo de produção em um único sistema, com base nos controles do modelo, para permitir o fluxo contínuo de produtos e a recuperação dado que os insumos de matérias-primas são adicionados ao processo de fabricação. De acordo com a NSTC, estudos-piloto nas indústrias farmacêutica e de biotecnológica sugerem que a produção contínua pode ter uma grande quantidade de benefícios nessas indústrias, tais como: reduzir o impacto ambiental da instalação de produção em 10 a 100 vezes; eliminação de lotes de produtos intermediários e seus estoques e testes associados; redução da quantidade de matérias-primas recebidas e resíduos finais do produto; racionalização dos processos de fabricação e redução do tempo de ciclo de fabricação; aumento dos rendimentos da produção e eficiência geral da produção do produto; melhorar a qualidade do produto com sistemas avançados de controle; e viabilizar testes em tempo real. A fabricação contínua pode reduzir os custos de fabricação, que atualmente consomem até 27% da receita para muitas empresas farmacêuticas, em até 40 a 50%.

As estratégias de produção contínua são amplamente utilizadas em muitos setores industriais, incluindo indústrias alimentares, químicas e petrolíferas. No entanto, nas indústrias farmacêutica e biotecnológica, a ampla adoção de tais estratégias ficou atrasada em razão do paradigma do desenvolvimento de produtos. Esse paradigma não enfatiza a aperfeiçoamento do processo devido à incerteza quanto ao desfecho clínico e ao ambiente regulatório histórico que impulsionou a produção em processos fixos de "lock-in" para a totalidade do ciclo de vida do produto. Na indústria, os grandes interessados na fabricação contínua são os fabricantes de pequenas moléculas e biologias; as organizações de fabricação por contrato; as empresas produtoras de equipamentos, instrumentos, controle e empresas fornecedoras de excipientes. A adoção do processo de fabricação contínua de ponta a ponta (ou seja, a integração da substância de fármaco e fabricação de fármacos em um único processo contínuo) exige alavancar as capacidades dos EUA em ciências farmacêuticas, engenharia de sistemas e detecção em tempo real.

A produção contínua promete melhorar a agilidade, flexibilidade e robustez na fabricação de produtos farmacêuticos, ajudando a mitigar a ameaça à saúde pública decorrente da escassez de medicamentos. O advento da medicina personalizada, bem como as drogas que recebem a designação de medicamentos órfãos, exige a produção de menores lotes de medicamentos devido às populações menores de pacientes-alvo. Um conceito semelhante aplica-se ao desenvolvimento de contramedidas médicas para eventos de baixa probabilidade de alta consequência - como os causados por ameaças químicas, biológicas, radiológicas/ nucleares e doenças infecciosas emergentes -, dado que essas contramedidas médicas provavelmente não têm uma grande promessa comercial, exceto para o governo federal para fins de preparação nacional. Os muitos benefícios da fabricação contínua (por exemplo, através de tecnologias de plataforma flexíveis que utilizam equipamentos modulares ou plug-and-play) podem permitir a produção doméstica rápida de contramedidas médicas, aumentando o preparo e a prontidão do país. 

Os desafios para a adoção da fabricação contínua de produtos farmacêuticos incluem tanto obstáculos técnicos de desenvolvimento de processos quanto os desafios científicos e regulatórios envolvidos com o distanciamento de um paradigma regulatório "centrado em lotes". Embora promissoras na escala de laboratório, as tecnologias e equipamentos que permitem a produção contínua de medicamentos na escala comercial não estão amplamente disponíveis ou acessíveis. Consequentemente, a tecnologia de produção contínua precisa atualmente de mais interesse e recursos da indústria, do governo e das autoridades reguladoras para transladar provas de conceito em adoção comercial generalizada. Os futuros investimentos federais devem se concentrar em tecnologias amplamente aplicáveis e habilitadoras, demonstrando seu retorno sobre o investimento necessário para a adoção generalizada. O equipamento de processo e instrumentação necessários para a produção contínua de moléculas grandes provavelmente virão de fornecedores de biotecnologia menores e não tradicionais que buscam expandir sua participação de mercado e, portanto, podem ser incentivados pelo apoio do governo.

Nos EUA, o governo federal coordena e promove uma progressão lógica da maturidade tecnológica para a adoção comercial no campo da produção contínua de produtos farmacêuticos. Os investimentos federais na ciência e tecnologia básica e emergente para produção contínua são fornecidos pela NSF, os NIH, NSTI e o DoD. Esses investimentos priorizam as pesquisas com nível de prontidão tecnológica TRL 6 ou superior, que pode ser transferida para o setor privado, em colaboração com a Autoridade de Pesquisa e Desenvolvimento Avançado da Biomédica (BARDA), para o desenvolvimento avançado contínuo da prioridade das contramedidas médicas para aprovação regulamentar. Além disso, esses investimentos federais servem como oportunidades de desenvolvimento de força de trabalho para cientistas e engenheiros que orientam as tecnologias rumo à transição para produção contínua em escala comercial. 

A FDA desempenha um papel regulatório integral desde o desenvolvimento precoce de produtos até a aprovação de medicamentos. Essa agência fornece não apenas a orientação e supervisão regulatória, mas também colabora com desenvolvedores de medicamentos na evolução do paradigma regulatório, do “centrado em lote” para o “centrado em produção contínua”, com utilização de metodologias científicas e orientadas a dados para facilitar futuras aprovações, incentivando assim a adoção comercial da produção contínua.

Tecnologias Existentes. Além das áreas prioritárias de tecnologia emergentes destacadas acima, há uma série de áreas de tecnologia que são objeto de interesse das agências federais. Essas áreas tornaram-se o foco dos institutos de inovação industrial, criados a partir de 2012, com patrocínio dos Departamentos da Defesa, Energia e Comércio, como será visto na próxima seção. 

  •     Manufatura Aditiva. A manufatura aditiva é definida como um processo de união de materiais para criar objetos a partir de dados de modelos tridimensionais, geralmente camada sobre camada, em oposição a metodologias de fabricação subtrativas. A manufatura aditiva pode englobar metais, polímeros e eletrônicos e pode ser aplicada a uma variedade de materiais estruturais e funcionais e a uma variedade de componentes para aplicações de defesa e energia. Uma vantagem da manufatura aditiva é que as peças podem ser fabricadas tão logo a descrição digital tridimensional da peça seja criada, estabelecendo assim um novo mercado para a customização em massa, em resposta à demanda do cliente. Além de compactar drasticamente a cadeia de suprimentos, esses processos minimizam o desperdício de materiais e os requisitos de ferramentas. Além disso, a partir de processos de manufatura aditiva, podem ser produzidos novos componentes e estruturas que não poderiam ser fabricados de forma econômica a partir de processos de fabricação convencionais, como fundição, moldagem e forjamento. 

  •     Compósitos Avançados. Materiais compósitos leves, de alta resistência e de alta rigidez foram identificados como uma tecnologia chave de corte transversal na produção de energia limpa nos Estados Unidos, com o potencial de reinventar um setor de transporte eficiente de energia, permitir uma geração eficiente de energia e aumentar a produção de energia renovável. Os desafios prioritários incluem: custos elevados; baixas velocidades de produção (tempos de ciclo longos); alta intensidade energética de fabricação de materiais compósitos; reciclabilidade; e uma necessidade de melhorar as ferramentas de design, modelagem e inspeção de compósitos para atender às demandas comerciais e regulatórias.

  •     Produção e Design Digital. A produção digital é o uso de um sistema integrado, baseado em computador, composto por simulação, visualização tridimensional, análise e várias ferramentas de colaboração para criar simultaneamente as definições dos processos de produção e produto. A inovação de design é a capacidade de aplicar essas tecnologias, ferramentas e produtos para re-imaginar todo o processo de produção de ponta a ponta.

  •     Eletrônica híbrida flexível. A eletrônica híbrida flexível preserva a operação completa de circuitos eletrônicos tradicionais, mas em novas arquiteturas flexíveis e fatores de forma conformes, permitindo flexionar, alongar ou dobrar. Estes dispositivos altamente funcionais podem ser acoplados a objetos curvos, irregulares e muitas vezes esticados, e têm o potencial de expandir a embalagem eletrônica tradicional para novos fatores de forma, permitindo novas classes de tecnologias, tanto para usos comerciais como para finalidades militares e/ou de defesa do DoD. Os exemplos incluem dispositivos e sensores médicos, sensores para monitorar o desempenho estrutural ou do veículo, os sensores que interagem através da Internet ou como aglomerados de sensores para monitorar posições físicas, dispositivos portáteis de desempenho ou de informação, robótica, dispositivos de interface humano-robôs e sistemas eletrônicos portáteis leves.

  •     Fotônica integrada. Área de fotônica integrada abrange a integração de múltiplos componentes e dispositivos fotônicos e eletrônicos definidos por litografia (por exemplo, lasers, detectores, guias de onda e estruturas passivas, moduladores, controles eletrônicos e interconexões ópticas) em um único substrato com características em nanoescala. Os principais benefícios de integrar esses componentes incluem o design simplificado do sistema, o desempenho aprimorado dos sistemas, o menor espaço de componentes e os requisitos de consumo de energia, além de melhorar o desempenho e a confiabilidade dos componentes, ao mesmo tempo em que permite novas capacidades e funcionalidades com menores custos. A comunidade integrada de produção de fotônica é constituída atualmente por uma coleção de empresas, organizações e atividades inter-relacionadas, independentes em sua grande maioria, que um ecossistema, o qual, contudo, ainda carece da organização e da força agregada do mercado necessária para inovar eficientemente as tecnologias industriais para design, fabricação, teste, montagem e embalagem de dispositivos fotônicos integrados, de modo rentável.

  •     Materiais Ultraleves. Os metais ultraleves e modernos oferecem melhorias significativas no desempenho do sistema e maior eficiência energética. A disponibilidade de metais leves avançados é um fator generalizado na melhoria do desempenho de muitos sistemas de defesa, energia, transporte e produtos de engenharia geral, cada um representando grandes setores da economia dos EUA. Além disso, metais ultraleves têm aplicações adicionais em áreas como turbinas eólicas, tecnologia médica, recipientes à pressão e fontes alternativas de energia.

  •     Produção Inteligente. A fábrica inteligente - a convergência das tecnologias de informação e comunicação com processos de fabricação para impulsionar o controle sem precedentes em tempo real de energia, produtividade e custos em fábricas e empresas - foi identificada pelo NSCT como uma das mais altas prioridades para o investimento federal nas áreas de tecnologia industrial. Aproveitando os sensores avançados, controles, processos e plataformas de tecnologia da informação e sistemas avançados de gerenciamento de energia, a produção inteligente tem o potencial de impulsionar a eficiência energética e a competitividade de fabricação dos EUA em uma variedade de setores.

  •     Têxteis e Fibras Revolucionários. Os avanços científicos permitiram fibras e têxteis com propriedades extraordinárias, incluindo resistência, resistência à chama e condutividade elétrica. Estes tipos de fibras e têxteis são compostos por tecidos especiais, tecidos industriais, têxteis eletrônicos e têxteis avançados. Estes têxteis tecnológicos são construídos com base em misturas sintéticas de fibras naturais e/ou fibras multimateriais que possuem uma ampla gama de aplicações, tanto nos setores de defesa como comercial, que vão além dos tecidos tradicionais para vestuário.

  •     Eletrônica de potência. Os materiais semicondutores de banda larga (wide bandgap) permitem que os componentes eletrônicos de potência sejam menores, mais rápidos, mais confiáveis e mais eficientes do que suas contrapartes baseadas em silício. Essas capacidades permitem reduzir o peso, o volume e os custos do ciclo de vida em uma ampla gama de aplicações elétricas. Se ocorrer a adoção generalizada dessas tecnologias mesmo em um conjunto limitado de aplicativos, será possível alcançar uma economia anual de energia elétrica da ordem de 40,100 GWh (137 TBtu) nos Estados Unidos. Com maior volume produção do substrato de banda larga e depósito epitaxial, espera-se que o custo diminua. 

A Rede de Institutos de Inovação Industrial 

Nos Estados Unidos, a nova ênfase no P&D relacionada à manufatura avançada e à aplicação industrial das tecnologias emergentes resultou na criação de novas organizações de P&D: os Institutos Nacionais de Inovação Industrial. Inspirados no modelo dos Institutos Fraunhofer da Alemanha, os institutos industriais são a peça central do programa de manufatura avançada do governo norte-americano. Essas novas organizações de P&D não só fornecem suporte para os estágios finais, orientados para o produto, de P&D em tecnologia, mas também para a inovação relacionada à indústria em áreas como tecnologias de produção e desenvolvimento de cadeia de suprimentos. Além disso, esses institutos têm como missão a capacitação e treinamento da mão-de-obra especializada para a indústria de transformação. 

Como já mencionado no início de 2012, dando sequência às recomendações da AMP, a Administração Obama incluiu na proposta orçamentária para o ano fiscal de 2013 US$ 1 bilhão em recursos obrigatórios para investimento, ao longo de dez anos, na criação de uma Rede Nacional de Inovação Industrial (NNMI), com até 15 institutos de inovação industrial (MII). Na justificativa do programa, o governo destacava que “a NNMI preencherá uma lacuna na infraestrutura de inovação, permitindo que novos processos de produção e tecnologias evoluam de forma mais simples, desde a pesquisa básica até a implementação na fabricação”. Também ressaltava o fato do programa NNMI ter uma escala e um foco únicos e ser construído com base em conceitos de uma forte parceria público-privada, com custos compartilhados com parceiros industriais, acadêmicos, estados e de organizações locais. Ademais, cada IMI deve se tornar financeiramente sustentável dentro de sete anos, mediante atividades geradoras de renda, como taxas de adesão, licenças de propriedade intelectual, pesquisa por contrato e atividades remuneradas de serviço.

A ideia era uma tradução para um contexto norte-americano dos institutos Fraunhofer alemães de sucesso, dos quais atualmente existem 60 espalhados pela Alemanha, em uma ampla gama de áreas tecnológicas. A versão norte-americana deveria ser um modelo liderado pela indústria, incluindo pequenas e médias empresas, em parceria e com custos compartilhados, com as universidades desempenhando um papel de apoio em ciência e engenharia aplicada no desenvolvimento de tecnologia e com o apoio dos governos federal e estadual. Os institutos dos EUA deveriam operar a nível regional para tirar proveito dos clusters industriais específicos da área, mas ser capazes de traduzir sua tecnologia e processo de aprendizagem aos fabricantes em escala nacional. 

De acordo com Sargent, por uma variedade de razões, incluindo preocupações sobre o déficit orçamentário federal; o papel apropriado do governo federal; distorções potenciais do mercado, ineficiência e desperdício; e a concessão de subsídios às empresas com fins lucrativos e aos seus acionistas em detrimento dos contribuintes, o Congresso norte-americano não aprovou a primeira proposta de criação da NNMI. Porém, ao invés de esperar por um Congresso dividido para autorizar e financiar um novo programa, o governo Obama decidiu que as agências federais começassem a criar institutos, usando os recursos existentes para o financiamento de outras áreas. 

Assim, ainda em 2012, contornando o bloqueio da oposição republicana, foi lançada a concorrência para propostas de criação de um instituto industrial piloto, o Instituto Nacional de Inovação em Manufatura Aditiva (NAMII), como “uma prova de conceito para os potenciais institutos subsequentes”. O financiamento federal a ser concedido a esse instituto-piloto seria viabilizado com os recursos orçamentários existentes nas agências federais vinculadas ao Departamento de Defesa e as dotações regulares do ano fiscal de 2012. 

Em agosto de 2012, a Casa Branca anunciou a proposta vencedora para o NAMII, uma parceria liderada pelo Centro Nacional de Fabricação e Usinagem de Defesa (NCDMM, na sigla em inglês), com sede em Youngstown, no estado de Ohio. Os parceiros do consórcio America Makes incluem 40 empresas, nove universidades de pesquisa, cinco faculdades comunitárias e onze organizações sem fins lucrativos, localizados nos estados da Pensilvânia, Ohio e Virgínia Ocidental. Com financiamento federal inicial de US$ 30 milhões, o consócio vencedor do NAMII comprometeu-se a fornecer US$ 39 milhões adicionais, com recursos aportados pela indústria e pelos estados. Além disso, uma vez efetivamente estabelecido o instituto, seria um "provável candidato a fundos adicionais em base competitiva" – de até US$ 15 milhões no financiamento federal para projetos específicos, o que elevava a US$ 45 milhões o potencial de financiamento federal total.

Ao mesmo tempo, a AMPO procurou obter contribuições, em âmbito nacional, dos principais grupos de partes interessadas para ajudar a orientar o design da NNMI. Segundo Sargent, além de recolher comentários públicos ao programa proposto, a AMNPO realizou quatro oficinas regionais, que subsidiaram a preparação de um relatório do NSTC, que foi publicado, em janeiro de 2013, denominado “Rede Nacional de Inovação Industrial: Um Design Preliminar”, que serviu de base para os projetos de lei para criação da Rede Nacional de Inovação Industrial, enviados à Câmara (H.R. 2996) e ao Senado (S. 1468). 

Pelos projetos de lei, a agência responsável pela administração da NNMI seria a agência federal NIST, vinculada ao Departamento do Comércio (DoC). De acordo com a proposta orçamentária do Presidente para o ano fiscal de 2014 enviado ao Congresso, o NIST receberia um aporte único de US$ 1 bilhão em financiamento obrigatório para ser gasto ao longo de nove anos.

Também em 2013, o Governo Federal lançou a concorrência pública para a criação de três outros institutos de inovação industrial. Dois com patrocínio do Departamento de Defesa (DoD): o Instituto Nacional de Inovação de Design e Produção Digital (DMDI) e o Instituto Nacional de Inovação em Fabricação de Metais Leves e Modernos (LM3I). E o terceiro, com patrocínio do Departamento de Energia (DoE): o Instituto Nacional de Produção de Eletrônicos de Potência de Nova Geração. Apenas para esse último, a licitação estava vinculada à aprovação do programa da NNMI. 

Como destaca Bonvillian, as profundas divisões que prevaleciam no Congresso norte-americano, inclusive dentro do partido parlamentar majoritário, impediam o avanço na legislação em prol da indústria avançada. Contudo, o poder político da indústria se fez sentir e o Congresso foi capaz de aprovar, de forma altamente bipartidária, o projeto de lei, que foi estrategicamente adicionado a um grande projeto abrangente (“omnibus”) de dotações anuais para financiar todas as agências governamentais no ano fiscal de 2015. Segundo o autor, “como um ‘minibus’ anexado ao ônibus”, a lei da indústria, Revitalize American Manufacturing Act, passou na Câmara em 11 de dezembro e no Senado em 13 de dezembro de 2014.

Assim, no final de 2014, obteve-se finalmente a aprovação do Congresso para a criação de uma Rede Nacional de Inovação Industrial (NNMI), composta de 15 institutos regionais, que receberão recursos federais por um período de cinco anos, complementado com aportes dos parceiros do setor privado e dos governos estaduais e/ou locais. Essa rede de "Institutos de Inovação Industrial" (IMIs) regionais foi projetada para acelerar o desenvolvimento e a adoção de tecnologias industriais avançadas com aplicações amplas, para apoiar a comercialização de tecnologia de fabricação, superando o fosso entre laboratório de pesquisa e mercado em áreas tecnológicas-chave e para apoiar formação e o treinamento da mão-de-obra especializada, qualificando os trabalhadores nas novas tecnologias. 

No início de 2017, já havia sido criado um total de 14 institutos, cada um deles especializado em uma área de tecnologia de ponta prioritária. Todos foram constituídos sob a forma de parceira entre indústria (grandes e pequenas), universidade (universidades de ponta e faculdades comunitárias) e governos estaduais e/ou local. As empresas industriais e os governos estaduais e locais se responsabilizavam conjuntamente por complementar o aporte de recursos do financiamento do governo federal, em uma base de no mínimo 1:1. 

O aporte do governo federal aos IMI´s individualmente foi, em geral de US$ 70 milhões, mas atingiu US$ 110 milhões no caso do AIM Photonics. Na maioria dos casos, as empresas parceiras e os estados e governos locais realizaram contribuição financeira superior ao aporte do governo federal, com destaque para o instituto DMDII, na área de design e produção digital, que recebeu US$ 70 milhões das agências federais e US$ 248 milhões do setor industrial e de governos estaduais e local. Diferentemente da proposta original, a legislação aprovada estabeleceu, contudo, um prazo de cinco anos para os institutos se tornarem autossustentáveis, prescindindo de aporte de recursos do governo federal após esse período. 

Modelo dos Institutos. Um dos principais objetivos dos MIIs era preencher uma lacuna no sistema de inovação industrial dos EUA: criar um espaço onde a manufatura avançada poderia evoluir através de uma colaboração entre a indústria (pequenas e grandes empresas), universidades e governo. Por essa razão, o modelo adotado para os Institutos é bastante complexo.

Como assinala o professor Bonvillian, o papel do governo federal, aqui, foi simplesmente atribuir uma bolsa de pesquisa para um pesquisador principal para realizar um projeto de pesquisa científica de acordo com um plano cuidadosamente delineado no pedido de subvenção, que é o papel usual do governo em P&D. Em vez disso, governo federal teve que se relacionar com uma combinação grande e complexa de empresas industriais que variaram amplamente em vários setores e em tamanhos, além de instituições acadêmicas, que variaram de grandes universidades de pesquisa a universidades regionais e faculdades comunitárias. Segundo o autor, com a possível exceção do consórcio Sematech, o governo federal não havia tentado nada assim anteriormente.

Dado que o objetivo geral era habilitar o florescimento da produção industrial doméstica em torno da área de inovação-alvo de cada instituto, além da combinação de participantes para os institutos ser complexa, a lista de tarefas também o é :

  •     "Criar" novas tecnologias de produção, processos e "capacidades";

  •     Servir como "campo de provas" para testar novas tecnologias e processos relacionados;

  •     Apoiar esforços para "aplicar" novas inovações industriais;

  •     "Construir habilidades na força de trabalho" para melhorar a produção e os processos para as tecnologias emergentes.

À medida que a manufatura avançada se impõe, um fabricante pequeno ou médio provavelmente terá uma série de desafios de produção futuros em uma série de novos campos, desde tecnologias de produção digital até materiais avançados. Para permitir a difusão nacional de tecnologias e processos, colaborações cruzadas e intercâmbios das melhores práticas e lições aprendidas, acima dos institutos individuais há a Rede Nacional de Institutos de Inovação Industrial, cuja denominação foi alterada para Manufacturing USA em 2016. 

Os institutos de inovação e sua rede têm uma importante tarefa geral, tanto regional como nacional. Bonvillian destaca que nos EUA, a produção industrial também está ancorada em regiões que tendem a se concentrar em áreas de produção específicas – por exemplo, automóveis no Centro-Oeste, aeroespacial nas costas Leste e Oeste e produtos farmacêuticos no Nordeste. Ainda que os institutos precisem ter profundidade regional, eles também devem traduzir seus avanços e know-how para as empresas industriais em âmbito nacional. 

Papel das agências federais. Por causa do impasse do Congresso, o governo federal teve dificuldade de projetar e adotar um programa completamente novo. Em vez disso, teve que recorrer às agências federais e a seus programas e financiamentos existentes, enxertando novos programas em organizações estabelecidas. 

Na ideia original de criação dos institutos de inovação, tal como proposto pela AMP, as áreas-alvo de cada o instituto viriam de um modelo de baixo para cima, com o setor industrial atuando como líder na seleção de áreas de foco. Todavia, como o governo decidiu que as agências federais começassem a criar institutos antes da aprovação da lei, com os recursos orçamentários disponíveis, as agências escolheram, a partir de 2012, áreas-alvo para os institutos de inovação que correspondessem suas missões. Ou seja, houve uma abordagem de cima para baixo, e as agências decidiram as áreas de foco com base em suas próprias missões, e não como uma missão da indústria em geral. Ao longo do tempo, no entanto, as perspectivas das agências se ampliaram. E as principais áreas que a indústria elencou como prioridades acabaram sendo enquadradas como missões das agências. 

Bonvillian assinala que as agências tendem a tratar e gerenciar seus institutos de maneiras como estão familiarizadas, enquanto receptores de pesquisa. Assim, o modelo de governança da agência é efetivamente um modelo de supervisão de P&D (mediante de acordos de cooperação), e as agências tendem a ver seu papel como supervisores de pesquisa. No entanto, o papel dos institutos é muito mais amplo. Este papel envolve a construção de colaborações duradouras com sistemas de apoio em uma ampla gama de empresas e pesquisadores em muitos setores, não só para pesquisa, mas também para testes, demonstração de tecnologia e feedback, desenvolvimento de produtos e educação e treinamento de mão de obra.

Fontes de Financiamento e a importância dos governos estaduais e locais. O aporte federal para cada novo instituto ao longo de um período de cinco anos variou de US$ 70 a US$ 120 milhões. O consórcio de empresas, universidades e governos estaduais que apoiam cada novo instituto foi obrigado a contribuir com pelo menos igual montante para alavancar o investimento do governo federal. Porém, na maioria dos casos, a contribuição combinada dos parceiros privados e dos governos estaduais superou largamente o aporte de recursos do governo federal, ficando bem acima da proporção 1:1 exigida.

Como o suporte financeiro federal aos institutos de inovação está limitado, por lei, a um período cinco anos, o apoio dos estados poderá vir a ser fundamental para a sobrevivência dos institutos. Se os institutos não estiverem intimamente ligados às economias regionais, o apoio dos estados simplesmente não se desenvolverá com a profundidade necessária. Na avaliação de Bonvillian, a construção de apoio estadual ao se conectar as economias regionais será fundamental para a sobrevivência dos institutos. Segundo o autor, para que os novos programas governamentais sobrevivam e prosperem, eles não só precisam de um forte projeto de política substantiva, eles devem ter um sólido projeto de apoio político que os sustente. 

Lições aprendidas. Transformar um setor econômico maciço, como a indústria de transformação mediante inovação, não é um projeto de curto prazo. Como destaca Bonvillian, apenas alguns dos novos institutos existem a tempo suficiente para que seja possível avaliar seu progresso em relação às suas declarações de missão. Segundo ele, claramente, tem havido um grande progresso na definição das estratégias de P&D e tecnologia em uma variedade de novas áreas tecnológicas que podem afetar dramaticamente o futuro da indústria. No conjunto de lições, bem como de desafios que surgirão à medida que os institutos evoluírem, identificadas pelo autor, destacam-se:

  •     Orientação para tecnologia versus produção. Os institutos industriais criados até o momento estão trabalhando em áreas temáticas selecionadas pelas agências públicas de financiamento de P&D. Essas áreas temáticas refletem as missões da agência, mas não necessariamente as necessidades prioritárias do setor industrial específico. Consequentemente, a escolha das áreas temáticas arriscou-se a ser mais orientada para o desenvolvimento de tecnologia, conforme entendido pelas agências do que pela indústria. Todavia, verifica-se uma tendência a autocorreção, dado que as agências estão solicitando cada vez mais as perspectivas da indústria. Na opinião do autor, se forem criados institutos adicionais, as agências federais poderiam formalmente atribuir maior peso aos critérios propostos pela AMP em seu processo de seleção de áreas-alvo, para assegurar a correspondência entre as necessidades da indústria e das agências, quais sejam: necessidade da indústria, demanda do mercado, transversalidade, segurança econômica, segurança nacional. 

  •     Limitação do apoio federal a um máximo de cinco anos. Embora a proposta original da AMP previsse um prazo de sete anos para a sustentabilidade financeira dos IMIs, desde o anúncio do primeiro instituto de inovação industrial, o America Makes, exigiu-se que os institutos sejam autossustentáveis (sem financiamento federal) após cinco anos. O Revitalize American Manufacturing Act, aprovado em 2014, também estipulou um prazo máximo de cinco anos para o apoio federal aos institutos criados desde então. A suposição de que os institutos possam se tornar financeiramente independentes em cinco anos é problemática. Revitalizar a inovação industrial será um projeto de longo prazo e, como tal, requer realismo sobre desafios de tecnologia e negócios. Ademais, os Institutos Fraunhofer da Alemanha, que serviram de modelo aos institutos norte-americanos, não enfrentam tal impedimento e contam com apoio contínuo do governo alemão. 

  •     Ênfase em P&D versus aplicação. As agências federais de apoio tendem a organizar os institutos em torno do desenvolvimento tecnológico para novas tecnologias consistentes com suas missões, que ainda estão longe da aplicação na da indústria. Este foco de desenvolvimento pode ser inevitável, dada a lacuna no P&D industrial dos EUA, mas ao longo do tempo isso criará uma lacuna de aplicação no papel dos institutos. Sem mais tecnologias de processo, demonstração, testes e sistemas de feedback, os institutos podem limitar sua capacidade de atrair empresas industriais de pequeno e médio porte, porque as tecnologias procuradas não estão prontas para essas etapas, onde as empresas menores as poderiam obter. Isso limitará a disseminação da tecnologia. A maioria dos líderes dos institutos entende isso bem, mas a questão continua a exigir atenção.

  •     Envolvimento da cadeia de fornecedores. Os institutos geralmente se concentraram inicialmente em chamadas de projetos de P&D de tecnologia que normalmente incluem pesquisadores de universidades e grandes empresas; as empresas menores geralmente não estão incluídas porque possuem capacidade limitada de P&D. No entanto, as novas tecnologias não serão adotadas, a menos que as cadeias de fornecimento integradas, incluindo as pequenas empresas, sejam levadas a compreendê-las e utilizá-las. Para que isso ocorra, os institutos terão de adotar mais uma abordagem completa de cadeia de fornecedores, com cadeias de fornecedoras envolvidas na demonstração, testes e treinamento de tecnologia. 

  •     Falta de experiência das agências federais com P&D industrial. Sucessivos governos federais nos Estados Unidos assumiram que a liderança industrial do país era um dado e, portanto, não sentia a necessidade de torná-lo um foco de política de P&D. Isso é parte do motivo pelo qual os institutos de inovação industrial tendem a se concentrar mais em estágios iniciais de desenvolvimento tecnológico ao invés do foco adicional na aplicação de tecnologia tal como foi proposto pela AMP. Embora a pesquisa básica em tecnologias ainda seja necessária, se a missão em curso de P&D da agência federal se concentrar mais em tecnologias habilitadoras na indústria, isso poderia ser um complemento importante para os institutos de inovação industrial, ajudando a criar novos paradigmas de tecnologia industrial.

  •     Educação e treinamento da força de trabalho. Sem equipes de engenharia e mão-de-obra qualificada nas novas tecnologias, em pequenas e grandes empresas, as tecnologias de manufatura avançada em evolução simplesmente não poderão ser amplamente adotadas. Alguns institutos viram que o treinamento de mão-de-obra pode ser um sucesso precoce ao servir os patrocinadores dos setores industriais e criar redes de contatos com uma ampla gama de empresas. Esta também é uma maneira particularmente importante para os institutos se envolverem com empresas menores e com os estados, que desempenham um importante papel na educação da força de trabalho por meio de seus sistemas de faculdade comunitária. No entanto, isso nem sempre foi o caso. Os oficiais de contrato e de programas das agências para os institutos são em geral tecnólogos, e não especialistas em educação, de modo que muitos se concentram no papel do instituto em P & D. No entanto, os institutos precisam dominar os dois conjuntos de tarefas para atender plenamente aos seus setores industriais.