“制造3.0”：“中國制造”升級的戰略選擇

房豐洲

【摘要】制造業是國民經濟的基礎，是推動經濟和社會發展的支柱產業。為加速實現“中國制造”升級為“優質制造”，必須在制造領域尋找新的突破口，實現制造業的跨越式發展。“制造3.0”不同于傳統的制造，其理論遠遠超出常規制造的理論和技術范疇，更多地依賴于新的科學原理和理論基礎，對我國在下一輪國際競爭中獲得優勢地位具有戰略意義。

【關鍵詞】工業4.0 制造3.0 原子尺度制造 【中圖分類號】F423.1 【文獻標識碼】A

18世紀中葉人類開啟工業文明以來，制造業作為社會創造物質財富的主要渠道，成為各國經濟持續穩定發展的支柱產業。縱觀近現代世界史，大國的興起均始于制造業，當今世界強國都是制造強國。自新中國成立尤其是改革開放以來，我國的制造業有了顯著的發展，無論是制造業規模還是制造技術水平都有顯著的提高。著眼未來，中國要從經濟大國邁向經濟強國，首先要成為制造業強國。

“工業4.0”近期受到各國政府、產業界及學術界的高度關注，今年5月，中國國務院印發《中國制造2025》，為我國建設現代化的工業強國描繪出清晰的路線圖。“工業4.0”這一概念最早出現在2011年德國舉行的漢諾威工業博覽會上，一經提出就迅速在歐盟工業領域內引起了極大關注。隨后在德國政府推出的《高技術戰略2020》中，“工業4.0”被列為十大未來項目之一，旨在支持工業領域進行新一代革命性技術的研發與創新，以此奠定德國在關鍵技術上的國際領先地位，夯實德國作為技術經濟強國的核心競爭力。

根據德國“工業4.0”的劃分方法，人類社會已經歷了三次工業革命。第一次工業革命始于1784年瓦特對蒸汽機的改良，以蒸汽機為動力的紡織機徹底改變了產品的生產方式。第二次工業革命始于1870年，美國辛辛那提屠宰場的第一條生產線將人類帶入分工明確、大批量生產的流水線模式和“電氣時代”。第三次工業革命始于1969年可編程控制器的出現，使制造過程不斷自動化，機器不僅取代了相當比例的體力勞動，而且還替代了部分腦力勞動。“工業4.0”被認為是在前三次工業革命的基礎上進一步深化，基于“信息物理系統”（Cyber Physical System）實現新的制造方式。信息物理系統是指通過傳感網絡緊密連接現實世界，將網絡空間的高級計算能力有效運用于現實世界中，從而在生產制造過程中，與設計、開發、生產有關的所有數據將通過傳感器采集并進行分析，最終實現在產品、生產設施的全生命周期中的智能管理和智能生產。這意味著未來工業生產組織方式將向定制化、分散化、融合化轉變，將使得互聯網企業與工業企業的邊界逐漸被打破，生產企業與服務企業的邊界日益模糊。

中國業界對“工業4.0”的關注熱度不亞于其他國家和地區，這表明中國產業界對新一輪科技革新和產業變革的高度敏感。“工業4.0”作為新的工業生產模式，對中國工業轉型升級具有重要的借鑒意義。雖然目前中國是全球最大的制造國，但在制造基礎、制造技術、制造體系等方面與德、美、日等國仍有很大差距，高檔裝備從母機到生產設備仍需依賴進口。公開數據顯示，僅2013年我國高檔裝備進口額就超過千億元。自動化過程中所需的基礎芯片，2013年進口額也已達到兩千多億人民幣。同時，國內的絕大多數工廠還處于勞動密集的“規模化流水線”的“工業2.0”時代，尚未踏入大規模自動化生產的“工業3.0”時代，數十萬人集聚的富士康代工廠似乎可以被視為當前中國制造業主要形態的縮影。

基于目前的中國國情，從總體上追求“工業4.0”，也許時機尚未成熟。如果把中德兩國工業現狀比作兩座外表差異不大的房子，若一座房子擬為擴展空間在上面加蓋一層，另一座也參照加蓋一層，結果可能未必相同。因為第一座的地基可能深入地下若干米，增高一層依然穩固，而另一座若起于地面，增高一層后，原有房子將存在傾倒的可能。但是如果我們嘗試在繼續加固現有房子的基礎上，將部分力量投入另一座新房的建設，也許會出現新的景象。

人類文明與制造業的發展密切相關。早在石器時代，人類就開始利用石器作為勞動工具制作生活和生產用品，到了青銅器和鐵器時代，為了滿足以農業為主的自然經濟的需要，人們開始采礦、冶金和鍛造工具，并開始制造紡織機械、水利機械、運輸車輛等。在此后相當長的時期內，人類主要以手工作坊的形式生產制造工具及各種用品，在重復制造各種勞動工具的過程中，逐漸產生工具定型化傾向，開始了簡單的分工作業。這是作為一種藝術而存在和發展的制造技術第一階段，即“制造1.0”。

將制造從一種工匠活動轉變為一種技術起源于因蒸汽機的發明而開啟的工業革命。機械技術與蒸汽技術相結合，產生了近代工業化的制造方式，機器制造方式逐步取代手工制造方式并形成規模。自這次工業革命之后，機床制造業在歐洲和美國經歷了較長一段時間的蓬勃發展，機床業中逐步的標準化、精度的不斷提高以及功率更大的機床的出現，給其他金屬類產品制造提供了良好的基礎。而后，隨著發電機和電動機的發明，電氣化使電作為新的動力源大大改變了機器結構和生產效率。由于當時戰爭的不斷爆發和持續，加速了槍炮等武器的研制和生產，槍支生產和機床發明的交互作用導致了制造中很重要的一個概念——互換性的出現，每一個零部件在制造時都需滿足嚴格的一致性。1931年，亨利·福特正是基于互換性標準化技術建立了具有劃時代意義的汽車裝配生產線，實現了以剛性自動化為特征的大規模生產方式。1952年，美國麻省理工學院研制出世界上第一臺數控銑床，由此標志著制造領域中數控時代的開始，數控化使機械產品的功能和性能產生質的飛躍。隨著制造技術的不斷發展，基于經典力學的制造基礎理論得到了形成、發展，并日趨完善。傳統加工中材料的去除已從毫米、微米發展到納米尺度。宏觀上講，可以把它們統稱為制造技術發展的第二個階段——基于機器精度的可控制造時代，即“制造2.0”。

制造的核心技術之一是加工，當加工的尺度從微米、納米向著原子尺度逼近時，出現了原子量級的材料去除、遷移或增加，傳統的加工理論已經無法解釋這一尺度下發生的現象和效應。這也標志著制造技術將從以經典力學、宏觀統計分析和工程經驗為主要特征的現代制造技術，走向基于多學科綜合交叉集成的下一代制造技術。這種原子或近原子尺度的制造（Atomic or Close-to-atomic Scale Manufacturing），簡稱為ACSM制造，即“制造3.0”。其主要特征：其一，制造對象與過程設計跨越宏觀、微觀和納觀直接作用于原子本身。產品的幾何尺寸是宏觀的，但卻要在原子尺度上實現制造體的輪廓及表面形貌。其二，制造過程中表面/界面效應占主導作用。原子或近原子尺度材料去除、遷移或增加的物理與化學反應等一系列過程均發生在固/液/氣相的作用界面上。其三，制造過程中原子/分子的行為決定于量子效應。隨著制造對象尺度和精度趨向原子或近原子量級，制造科學與技術的研究方法需由宏觀的實驗統計向趨于物質基本組成粒子的相互作用機制轉變。

回顧制造業的發展過程，亞毫米級制造精度使蒸汽機革命在英國成功，并使英國一度成為“日不落帝國”；微米級制造精度適應了電氣和電子產品的制造，造就了美國、歐洲和日本的經濟快速發展。“制造3.0”（ACSM制造）有望在制造領域帶來科學和技術的變革，為我國實現由制造大國向制造強國的轉變提供了歷史機遇。

電子管出現后，曾經是電路系統中的核心元件，但隨之被晶體管完全取代。微芯片的誕生可以說創造了一個時代，芯片的集成度正在快速發展，其線寬也從32納米、22納米向著11納米發展。晶體管特征尺寸的縮小也不是無限制的，目前尖端的制造工藝已經基本接近極限值，若超出極限值，材料的物理、化學性能將發生質的變化，電子的運動不再遵循經典物理，開始呈現量子態。這種情況下，電子具有概率所呈現出的波特性，出現隧穿效應，“穿過”原本不可能穿過的絕緣節點，現行的半導體器件將無法工作。利用量子科學開發出基于量子芯片的新信息處理機制，即量子計算機，它的處理速度從理論上講是傳統電子計算機的上萬億倍，其可靠性、運算速度以及精密度幾近完美，一臺量子計算機的功能可完全等同于幾個巨型超級計算機的功能總和，它的優越性是傳統計算機技術所無法比擬和想象的。可以預見，量子芯片的時代在不遠的將來一定會到來。

如果在晶體管出現之前，我們下大氣力投入電子管制造的研究、開發與產業化，一旦晶體管出現，無論我們做出怎樣的前期努力，都將付之東流。同樣，我們也付出巨大努力在微電子芯片制造的研究、開發與產業化，力求趕超發達國家已經達到的技術水準。若干年后，當量子芯片出現后，我們不得不進入另一輪的追趕。

無論是量子芯片，抑或是其他我們沒有預見到的新的革命性元器件，當它們形成產品時，對新一代制造技術的需求將是必然。而作為下一代制造技術的代表，“制造3.0”的啟動、策劃與實施，將對我們國家的戰略發展起到積極的支撐作用。

“制造3.0”是下一代制造技術，預示著制造技術新的革命性階段，對我國在下一輪國際競爭中獲得優勢地位具有戰略意義。建議國家相關決策部門啟動論證與規劃，并列為國家重點研發計劃。

（作者為天津大學精密儀器與光電子工程學院教授，長江學者特聘教授，“973”計劃項目首席科學家）

【參考文獻】

①國務院關于印發《中國制造2025》的通知，中國政府網，2015年05月08日。

責編/周素麗 張寒（見習）