美國制造業的“阿波羅計劃”
——美國制造創新研究所網絡（上）

編者按

最近，美國以“國家安全”為由將華為等企業列入所謂“實體清單”，限制這些中國企業購買美國零部件，此舉被廣泛視為把中美博弈從貿易進一步擴大到科技，意圖通過打擊中國，拖慢中國通過5G技術向先進制造業轉型升級的速度。美國自身則正在采取一系列復雜的組合策略，一方面促進基礎工業回流，另一方面緊抓先進制造業的發展。《先進制造：美國的新創新政策》是麻省理工學院華盛頓辦公室前任主任威廉姆?邦維利安等人的新著。該書回顧了美國制造業創新的歷史，里面列舉了大量美國發展先進制造業的案例，涉及美國先進制造創新研究所模式、初創公司在規模擴張期所遇到的制造方面問題的解決方案等。本刊經過授權，摘選了該書的部分內容，旨在激發讀者對于中國發展先進制造業的思考。

“制造創新研究所”的核心目標是填補美國制造業創新體系的空白，即創造一個空間，通過產業界（大小企業）、高校和政府之間的合作，不斷推動先進制造業的發展。據美國國家標準與技術研究院先進制造業辦公室主任邁克爾?莫爾納的介紹，新“國家制造創新研究所網絡”的目標是：

為美國產業界和學術界創建一個有效的制造研究基礎設施，解決與產業界相關的問題。國家制造創新研究所網絡由相關聯的制造創新研究所（IMI）組成，大家擁有共同的目標，但各有所重。在制造創新研究所中，產業界、學術界和政府合作伙伴將充分利用現有資源，共同協作和共同投資以鼓勵制造創新并加速其商業化。作為可持續的制造創新中心，制造創新研究所將創造、展示和利用新功能、新產品和新流程，對商業生產施加影響。它們將在各個層面培養勞動力技能，并提高大小公司的制造能力。研究所將匯集所有合作伙伴中最出色的人才和技能，建立能夠讓創新蓬勃發展的試驗場所，并推動美國國內制造業的發展。

在為期五年的時間內，聯邦政府會給予每一個新研究所7000萬～1.2億美元不等的獎勵。同時，企業、高校和地方政府也將聯合為每家新研究所提供至少同等金額的配套資金。

創新政策背景下的制造研究所

制造研究所的概念不是憑空而來的，而是有一定的政策基礎。戰后，萬尼瓦爾?布什針對美國戰后研發機構的組織提出了頗具影響力的“管道模式”。該模式是一種“技術推動”或“技術供應”模式，即政府為初期研究提供支持，但在研究帶來技術進步之后，在這些技術進步（尤其是根本性或突破性創新）的商業化過程中，政府只發揮有限的影響。開發和創新后期都交給私營部門。唐納德?斯托克斯和其他人后來對布什提出的管道模式大加批判，尖銳地表示該模式本質上是脫節的，將系統的參與者分離開，彼此之間只有少量技術傳遞途徑。劉易斯?伯蘭斯卡姆和菲利普?奧爾斯瓦爾德則對“死亡之谷”進行了批判，即美國系統中研究和后期開發之間存在脫節，導致系統在研究成果商業化的問題上屢屢失敗。在過去25年里，這個理論一直是美國科學和技術政策文獻研究的重點，也帶來了關于如何消除“死亡之谷”的討論。

當然，美國的創新體系模式并不只有管道模式。其他模式還包括弗農?拉坦提出的“誘導創新”。這是一種主要的產業創新方式，先分析明確市場機會，然后通過創新來加以填補，一般是采用遞進式發展。面對冷戰時期的技術需求，國防部無法忍受脫節的模式，因此他們開發了“延伸管道”模式。通過這個模式，國防部不僅為初步研究提供支持，同時為開發、論證、原型制作、測試和初期市場推廣提供支持。作為創新機構的美國國防高級研究計劃局就是圍繞這個聯系更為密切的系統組建的?？偟膩碚f，美國最近數十年的創新模式都傾向于在這個創新管道中進一步延伸自己的觸角。不過，美國的創新體系還沒能覆蓋制造階段。

正如蘇珊娜?伯杰所提出的，制造是創新體系中非常重要的一個階段，尤其是新技術和高價值復雜產品的初期生產。人們在這方面進行了大量的探討，但美國的創新部門并沒有圍繞就此開展工作。一個例外是半導體制造技術聯盟，自20世紀80年代起開始得到美國國防高級研究計劃局的支持。但正如上文提到的，其他國家早已經建立“制造業主導”創新體系，而且這種體系是德國、日本、韓國和中國的主導模式?！爸圃鞓I主導”創新體系中，比較具有代表性的是日本在20世紀70年代到80年代的質量制造革命、德國通過弗勞恩霍夫研究所和學徒項目為工業提供支持的系統，以及最近中國的快速原型制作和規模化能力。

美國沒有這種模式。不管是民用還是軍用創新模式（即管道模式和延伸管道模式）都將重點放在更寬泛的技術開發上，而非制造業技術和工藝的創新。因此美國錯過了制造業主導創新，并且在21世紀初期出現制造業基地衰落的現象，付出了巨大的代價。在制造業衰落問題的推動下，美國現在正在三種創新模式的基礎上探索增加一個“制造業主導”模式，利用其強大的初期創新系統來應對生產領域的挑戰。

同美國其他創新模式相比，該模式采取了截然不同的方法。其新的創新研究所網絡不同于此前的各種嘗試，每家創新研究所都需要數十家機構參與者的合作和成本分攤，相當復雜。這些機構參與者包括企業、高校、社區大學、州政府和聯邦政府機構。每家研究所都將遵循激進的技術開發路線，并且實施勞動力培訓項目。

創新政策理論家們分析發現，在創新體系的“前端（即研究階段，通常是由政府投資，委托高校來進行研究）”和“后端（從開發后期到實施階段，通常由私營部門主導）”之間存在空白區域。為了解決這個結構性問題，需要在政府支持下建立銜接機制。正如菲利普?沙皮拉和讓?尤泰指出的，需要各種技術推廣方法、各種中間機構和項目，既包括向小型制造商推廣新生產技術和工藝流程的美國制造業擴展伙伴關系項目，也包括德國制造商們聯合進行技術開發的弗勞恩霍夫研究所。各國為填補這個空白設立了一系列技術推廣機構，美國制造創新研究所（以下簡稱“研究所”）是其中最新的成員。

研究所的背后有著一番雄心壯志，即利用研究所為一系列生產領域建立新的生產范例，可適用于大小企業，橫跨供應鏈和各工業部門，由此大幅提高生產效率，使美國可以憑借強大的競爭優勢重新進入制造業，同成本和薪酬更低的亞洲制造商同臺競爭。其目標是創造更多的創新產品和創新技術，通過創新技術來提高效率，減少成本劣勢，樹立競爭優勢。研究所將把美國的創新優勢應用于生產階段。正如前文所介紹的，這個階段此前并非美國創新體系的關注所在。但不管是美國的批量生產還是日本的高質量制造，其背后的技術和工藝流程都曾具有一定的革命性，讓那些國家成為當時的工業領導者，新的生產范例將力爭帶來同樣的革命。這個意圖能否實現？先進制造合作伙伴計劃（AMP）研究所引述說，“科學家和工程師指出，一系列重大的新生產進步正出現在我們眼前”。

分析師蒂莫西?斯特金指出，還可以從另一個角度來看制造業的創新挑戰。中國目前在大批量制造中建立了自己的優勢，此前這是美國的專長。美國在兩類生產中擁有出色的能力：一是混合生產制造，即滿足地方市場需求，而高產量相對而言不是那么重要；還有一類是低產量的定制生產。這兩類生產的規模都不是很大。如果美國實施先進制造，則能夠提高其混合生產和定制生產能力，降低成本和提高效率，更好地與大批量生產進行競爭。這將有力地提升美國的生產能力和競爭能力。當然，中國和德國正在快速推進先進制造業，也是美國必須往這個方向發展的另一個原因。美國必須在被別國拋在后面之前充分發揮自身的創新優勢。

新的生產范例會是什么呢？有一種范例可能會是數字化或“智能”生產，有時候被稱為工業物聯網。目前，制造商們的信息技術基礎設施是各自為政，互不相連，而且保持著使用紙質媒介的手動系統，不能提供實時的動態信息，導致企業無法面對問題、客戶和機會作出快速響應。然而，要撤除他們現有的系統，可能導致生產短時間的中斷，破壞效率；如果將生產外包，則會導致進一步的脫節?，F代企業開始在不同的生產階段嵌入傳感器，生成大量的數據，但由于缺乏連通性，阻礙了企業充分利用這些數據來實現改進的努力。如果將信息技術系統之間的連通性提升到一個全新的水平，外加增加傳感器和提高數據分析能力，那樣是否能實現新一代的智能生產，在生產的每一步都擁有新的視角和問題解決能力，大大提高效率呢？正如下文所探討的，部分新的制造研究所承擔了這項任務的關鍵部分。德國工業4.0主要是圍繞這些項目進行的，這就是一種有潛力的新生產范例。

復雜的研究所和網絡模型

這種挑戰性范例為新研究所創造了一個復雜的模型。政府不再根據撥款申請中精心制作的計劃來向“主要研究者”一次性撥款，委托實施科研項目。那是政府過去在研發工作中的做法。現在，撥款必須根據大量工業企業的需求來加以確定。這些工業企業來自于各行各業，規模各有不同。此外，還要考慮大型研究型高校、地區大學、社區學院等各種學術機構的需求。州政府將與產業界和聯邦政府一起成為共同投資者，為特定的相關項目提供支持。此外，地區經濟發展機構也將參與其中。除了美國半導體制造技術聯盟之外，聯邦政府以前從未嘗試過如此復雜的事情。正如一位深入參與先進制造業工作的國防部官員所說，“創立一家研究所就像是創立一個國家”。

研究所的參與者隊伍非常復雜，它們的任務清單也很復雜：

（1）“創造”新的生產技術、工藝流程和“能力”；

（2）充當“試驗場所”，對新技術和相關工藝進行測試；

（3）支持新的生產創新的“利用”；

（4）“培養勞動力的技能”，改善新興技術的生產和工藝。

其總體目標是圍繞每家研究所的重點創新領域實現美國國內制造業的“蓬勃發展”。

在各個獨立的研究所之上，還會建立一個制造研究所的“網絡”，以進行交叉合作、交流最佳實踐。隨著先進制造業站穩腳跟，未來，中小型制造商可能不只在3D打印方面存在問題，從數字生產技術到先進材料的應用等多個新領域都會面臨一系列的生產挑戰。生產將主要集中在一些側重于特定生產領域的地區，例如中西部地區的汽車產業、沿海地區的航空航天產業、東北地區的制藥產業等。雖然研究所需要扎根于地區經濟，但它們還必須在全美范圍內轉化自己的技術和專有知識。研究所和國家制造創新研究所網絡在地區和全美都有一個重要的總體任務。

新研究所及其網絡的任務可能不像美國國家航空航天局的“登月計劃”那樣復雜，但也是一個大型計劃。“阿波羅登月計劃”采用的是政府合同的模式，即政府在實現目標的過程中只是投入資金。但對制造研究所而言，要想取得成功，眾多參與者之間必須緊密合作，同時需要大量的資金來源。此外，在急劇衰退并逐漸老化的工業部門中，還必須出現具有挑戰性的技術進步。不管怎樣，新的研究所必須在五年內實現自我維持。

項目核心：制造研究所

至2016年秋，美國國防部共贊助了6家這樣的研究所，美國能源部贊助了3家研究所。2017年初增加5家研究所，總數將達到14家。這些研究所所支持的技術相當廣泛，充分顯示先進制造業革命帶來的深遠影響。這種技術寬度或許是美式方法中最有趣的地方，也值得細述。下面簡要介紹這些研究所及其技術領域。

?國家增材制造研究所(NAMII)

這是第一家制造研究所，成立于2012年?？偛课挥诙砗ザ碇莸膿P斯敦，在俄亥俄州克利夫蘭市和賓夕法尼亞州匹茲堡市的走廊地帶建立了區域基地，專注于3D打印技術，該技術也被稱為增材制造。增材制造是一種材料連接工藝，使用三維計算機模型數據一層接一層地來制造器件，而減材制造則依賴于傳統機床。增材制造通常使用金屬或聚合物的粉末，甚至是組織。它的競爭優勢在于，只要將零件的三維數字參數輸入到打印機中，零件就可以被制造出來，從而為按需大批量定制創造新的市場。重要的一點在于，這些工藝可以最大限度地減少材料浪費和模具需求，并可能壓縮供應鏈中的要素和環節。

這種技術也能夠生產無法通過鑄造、模制和鍛造等傳統制造工藝以較低成本制造的全新零部件和全新結構。如果逐層疊加的速度得到大幅提高，那么增材制造就可以直接與大批量生產技術進行競爭。同時，該技術將被用于現場更換零部件，減少零部件的庫存需求，并制造現有工藝無法生產的、更為錯綜復雜的零部件。它可能是21世紀的突破性生產技術，是實現大規模定制的關鍵因素（大規模定制是指以大批量生產的成本來生產小批量個性化設計的產品。3D打印可以使生產本地化，第一次實現生產的規模降低，盡管在生產制造的歷史上只有過追求規模擴大）。

通過激烈的競爭和選擇，參與國家增材制造研究所的州政府和企業提供了約1億美元的資金，以配套空軍制造技術項目提供的5000萬美元資金。國家增材制造研究所的使命是消除科研、技術開發與技術利用之間的缺口，加速增材制造。參與者囊括遍布全國的53家大小公司，特別是在中西部地區。其中圍繞3D打印技術組建的公司，包括3D系統公司（3D Systems）、大型的航空航天公司（如波音公司、洛克希德馬丁公司、聯合技術公司和諾斯羅普?格魯曼公司）和大量小型制造公司。對那些航空航天公司而言，3D打印技術可能發揮變革性的影響。而高校既包括了大型研究型大學，也有社區學院。從州政府部門到行業協會，還有其他二十余個組織參與其中。

該聯盟圍繞設計、材料、工藝和供應鏈制訂了詳細的技術路線圖。此外還開展了增材制造材料“基因組”的研究，使用新穎的計算方法（比如基于物理學和模型輔助的材料特性預測工具），以節省設計、開發和鑒定增材制造新材料的時間和成本。該研究所著手建立了一套基礎設施，用于分享增材制造的設想和研究，開發和評估增材制造技術，與教育機構和制造商合作進行新領域的培訓，并且為中小型企業和資源牽線搭橋，使它們能夠使用增材制造。國家增材制造研究所的一個重點是研發和技術開發項目，其特色是高校和產業界的聯合。例如，劍橋大學的波音、霍尼韋爾和德雷珀實驗室（Boeing，Honeywell and Draper Lab）正致力于將一系列電子制造技術嵌入3D打印過程中，如精密加工、熱塑性擠壓、直接箔嵌入、嵌線和布線管理等。除此之外，還有30多個同等規模的高校產業界聯合開發項目。

事實證明，在競爭激烈且規模較大的航空航天企業內，信息和知識產權共享是相當復雜的，也會影響到技術開發。但該研究所已經發揮重要的影響，將新的3D打印共同體聯合在一起，幫助參與者了解哪些研究人員和企業正在致力于哪些科學進步的研究，從而推動彼此之間的聯系和外包。研究所也在通過模擬和建模幫助美國國防部推動新航空航天零部件的審批流程，提高速度，降低成本，這將為整個產業帶來巨大的效益。

美國國家增材制造研究所是最成熟的研究所，其他制造研究所的工作開展模式與國家增材制造研究所相當。

（未完待續）