從制造到智造：關(guān)鍵的七大技術(shù)

蘇珊娜·伯杰

蘇珊娜· 伯杰出版：浙江教育出版社

縱觀美國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史，科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)流程、商業(yè)模式的新結(jié)合總是能夠帶來(lái)生產(chǎn)效率的大幅提高，讓美國(guó)在工業(yè)發(fā)展中處于領(lǐng)導(dǎo)地位。我們現(xiàn)在已經(jīng)可以看到能夠給21世紀(jì)制造業(yè)創(chuàng)造出一個(gè)先進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)的新模式。

在過去10多年間，制造業(yè)發(fā)生了很大的變化，但是今天的制造業(yè)和大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)期的制造業(yè)還是非常相似的，它們基本上還是同一個(gè)系統(tǒng)。美國(guó)現(xiàn)在正站在這個(gè)系統(tǒng)巨變的邊緣上，美國(guó)各地的實(shí)驗(yàn)室和研究中心正在推出一整套全新技術(shù)，這套新技術(shù)會(huì)完全打破原有的直線型生產(chǎn)安排模式。第一，美國(guó)合成新材料的能力已經(jīng)上了一個(gè)新臺(tái)階，材料設(shè)計(jì)就像加工、組裝一樣，是生產(chǎn)過程中不可缺少的一環(huán)。人工合成材料對(duì)下游工序有著重大影響，使用人工合成材料就有可能把加工和組裝的一些步驟合并或者刪除，比如涂層就變得不那么必要了。第二，加工和組裝之間的界線越來(lái)越模糊，因?yàn)樾鲁霈F(xiàn)的流程和自動(dòng)化設(shè)備都是超高效率的，甚至出現(xiàn)了整條生產(chǎn)線只為一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的連續(xù)性生產(chǎn)過程，加工和組裝都一氣呵成。第三，最終的產(chǎn)品往往不僅僅是一個(gè)工藝品或者是一個(gè)小器具，而是一套把服務(wù)、軟件和產(chǎn)品捆綁在一起的綜合性解決方案。第四，新的潮流是建立一套機(jī)制，把回收材料有序地運(yùn)用到加工過程以及新材料合成中去。

一波新科技正在進(jìn)入制造業(yè)，我們稱之為先進(jìn)制造業(yè)，上面描述的種種變化只是其中的一部分。先進(jìn)制造業(yè)的定義很多，其中一些把先進(jìn)制造業(yè)的范圍限定在對(duì)某些科學(xué)技術(shù)的使用上，或者是規(guī)定只有使用這些科學(xué)技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品才能被稱為先進(jìn)制造業(yè)。比如，總統(tǒng)科技顧問委員會(huì)在2011年6月發(fā)表了《給總統(tǒng)的關(guān)于確保美國(guó)在先進(jìn)制造業(yè)中的領(lǐng)導(dǎo)地位的報(bào)告》，報(bào)告將先進(jìn)制造業(yè)定義為：通過協(xié)調(diào)使用信息、自動(dòng)化、電腦、軟件、遙感、網(wǎng)絡(luò)等科學(xué)技術(shù)來(lái)進(jìn)行的活動(dòng);以最先進(jìn)的材料學(xué)、物理學(xué)、生物科學(xué)研究成果為基礎(chǔ)進(jìn)行的活動(dòng)，比如納米科學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)。先進(jìn)制造業(yè)既包括制造現(xiàn)有產(chǎn)品的新方法，也包括從先進(jìn)的新科技中發(fā)明創(chuàng)造出來(lái)的新產(chǎn)品。

先進(jìn)制造業(yè)同盟（ The Advanced Manufacturing）在2012年7月的報(bào)告中也用了同樣的定義。美國(guó)國(guó)防情報(bào)學(xué)院在2012年發(fā)表了《全球先進(jìn)制造業(yè)的新興潮流》，這里用的定義更加全面些，但也不過就是涵蓋了更多的商業(yè)行為而已，這個(gè)定義是這么說(shuō)的：通過使用科學(xué)技術(shù)、工程技術(shù)和信息技術(shù)、高精密度的工具和方法、高效率的員工隊(duì)伍、富于創(chuàng)造性的商業(yè)和組織模式，先進(jìn)的制造業(yè)對(duì)現(xiàn)有的材料、產(chǎn)品和流程進(jìn)行優(yōu)化，或者是創(chuàng)造出全新的材料、產(chǎn)品和流程。

把一個(gè)現(xiàn)象的界線清楚地劃分出來(lái)很有必要，PIE委員會(huì)（麻省理工學(xué)院創(chuàng)新經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)委員會(huì)）的研究人員對(duì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室、企業(yè)和政府實(shí)驗(yàn)室里孕育著的科學(xué)技術(shù)做了觀察，也觀察了創(chuàng)新型制造企業(yè)的實(shí)際運(yùn)作模式，根據(jù)這些觀察結(jié)果，我們認(rèn)為這個(gè)定義的范圍還該更廣些，不要局限于某些科技領(lǐng)域或者產(chǎn)業(yè)，而且應(yīng)把著重點(diǎn)放在最前沿的科技變化上。我們認(rèn)為先進(jìn)制造業(yè)應(yīng)該是一種可持續(xù)的創(chuàng)造能力，它能夠把實(shí)物產(chǎn)品和服務(wù)、軟件結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)造出一代又一代的解決方案。要持續(xù)、高效、快速地生產(chǎn)出一代又一代的解決方案，就要越來(lái)越多地用到為特定客戶專門設(shè)計(jì)的原材料，也會(huì)越來(lái)越多地用到回收材料。先進(jìn)制造業(yè)當(dāng)然會(huì)存在于生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)制造過程中，但是它不僅存在于新興產(chǎn)業(yè)，像紡織這樣的老產(chǎn)業(yè)也會(huì)發(fā)現(xiàn)它的蹤影。先進(jìn)制造技術(shù)是在創(chuàng)新系統(tǒng)和工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的交界處孕育出來(lái)的。這就有點(diǎn)像圖中描述的前饋和反饋系統(tǒng)。

在瀏覽了麻省理工學(xué)院內(nèi)部研究成果、美國(guó)大學(xué)制造業(yè)相關(guān)課程的調(diào)查以及相關(guān)文獻(xiàn)之后，我們發(fā)現(xiàn)了一系列能夠提高生產(chǎn)力和生產(chǎn)效率的制造業(yè)新技術(shù)，這些新技術(shù)還能夠加快創(chuàng)新投放市場(chǎng)的速度。我們從收集到的數(shù)據(jù)里，找到了科學(xué)技術(shù)給制造業(yè)創(chuàng)造的三大機(jī)會(huì)，這些機(jī)會(huì)很可能在未來(lái)5年就變成現(xiàn)實(shí)。

第一，新技術(shù)能夠催生現(xiàn)在還沒有的新產(chǎn)品。這類新技術(shù)包括非晶半導(dǎo)體、可穿戴電子產(chǎn)品、以生物學(xué)為基礎(chǔ)而研制出來(lái)的藥品和燃料、有推動(dòng)性能的微型衛(wèi)星。這些領(lǐng)域的很多新技術(shù)都可能創(chuàng)造出新的商機(jī)甚至新的產(chǎn)業(yè)，這些產(chǎn)業(yè)會(huì)帶來(lái)巨大的新需求，創(chuàng)造出大量的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。問題的關(guān)鍵在于，這些產(chǎn)業(yè)能否帶來(lái)足夠的價(jià)值和興趣，經(jīng)過一段時(shí)間后和現(xiàn)有產(chǎn)品在市場(chǎng)上共或者取代一部分現(xiàn)有產(chǎn)品。

創(chuàng)新制造業(yè)交界處的位置

第二，程序化的生產(chǎn)制造流程有機(jī)會(huì)得到大發(fā)展，因?yàn)樗恍枰Y本密集的儀器和固定裝置。其中一個(gè)大潮流是3D打印技術(shù)和無(wú)掩膜光刻納米技術(shù)將會(huì)大大降低對(duì)昂貴的定制生產(chǎn)器材的需求。這些新技術(shù)讓生產(chǎn)過程變得更靈活了，但是它們必須克服幾個(gè)難題：用這些技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品能夠保證達(dá)到指定的精確度嗎？它們能夠促進(jìn)分布式制造的發(fā)展嗎？分布式制造就是把產(chǎn)品拿到靠近最終客戶的小型生產(chǎn)設(shè)施里去生產(chǎn)，這些生產(chǎn)設(shè)施不是為生產(chǎn)某一種產(chǎn)品而專門建立的，而是可以根據(jù)要生產(chǎn)產(chǎn)品的不同，因地制宜地隨時(shí)進(jìn)行靈活地調(diào)整的。

第三，新技術(shù)也為現(xiàn)存的大規(guī)模生產(chǎn)流程提供了新的機(jī)會(huì)，在新技術(shù)的幫助下，現(xiàn)存的生產(chǎn)流程可以提高生產(chǎn)力，更加靈活地進(jìn)行生產(chǎn)。像射頻識(shí)別術(shù)等科技可以在生產(chǎn)和銷售過程中跟蹤零部件;機(jī)器人和人一起合作雖然不是顛覆行業(yè)的創(chuàng)新，但是可以在現(xiàn)存的制造業(yè)價(jià)值鏈上提高效率和生產(chǎn)力。如果美國(guó)將上面提到的科學(xué)技術(shù)開發(fā)出來(lái)，那么關(guān)鍵的問題就變成了，能不能在美國(guó)工業(yè)界眾多的參與者中，找到足夠多的企業(yè)采納這些新技術(shù)？

我們?cè)賹?duì)收集到的數(shù)據(jù)做了更詳細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)可以把這些數(shù)據(jù)歸納為7大技術(shù)類型：

1.材料和表面的納米工程：這就是把功能性材料和多功能性材料在納米級(jí)和微米級(jí)進(jìn)行重新合成和排列。這些材料既包括無(wú)機(jī)的金屬和復(fù)合物，也包括生物材料和復(fù)雜的聚合物。這些技術(shù)不單對(duì)材料的自然形態(tài)進(jìn)行了修改而且它們創(chuàng)造來(lái)的合成材料在自然界根本就不存在。我們?yōu)榇伺e辦了美國(guó)制造業(yè)計(jì)劃調(diào)查，得到的回復(fù)表明，大面積的石墨烯生產(chǎn)、軟材料制造、半導(dǎo)體的3D集成電路、納米纖維復(fù)合材料、表面納米蝕刻法最有可能進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)，而且前途無(wú)量。

2.增材制造和精密儀器制造：這類技術(shù)包括把粉狀或者是絲狀金屬原材料一層一層地建成復(fù)雜的三維形狀。這種生產(chǎn)過程全程都是數(shù)字方式控制的，不需要造價(jià)昂貴的專屬模具。在小范圍內(nèi)活動(dòng)，靈活聽指揮的執(zhí)行器和感應(yīng)器也是這類技術(shù)的一部分。在這些領(lǐng)域里，最常提及的應(yīng)用是家庭式3D打印、與電腦輔助設(shè)計(jì)結(jié)合在一起的快速原型機(jī)制造、下一代噴射模塑法、先進(jìn)的電火花線切割加工、用于原型機(jī)制造的類似金屬氧化物半導(dǎo)體制造執(zhí)行系統(tǒng)的鑄造系統(tǒng)、以激光為基礎(chǔ)的制造流程、用金屬燒結(jié)法及成形法來(lái)制造專屬零部件等。

3.機(jī)器人和適應(yīng)性自動(dòng)化：這類技術(shù)主要是在生產(chǎn)制造過程中對(duì)機(jī)器人和自動(dòng)化儀器的智能化運(yùn)用。這些技術(shù)會(huì)應(yīng)用在生產(chǎn)過程中，尤其是在對(duì)精密度要求非常高、工作任務(wù)需要重復(fù)進(jìn)行且很容易標(biāo)準(zhǔn)化的時(shí)候，以及需要用到很大的力量和扭矩的時(shí)候取代人工操作，或者對(duì)人工操作進(jìn)行補(bǔ)充的時(shí)候。在這類技術(shù)中，很多人在積極地研究如何進(jìn)行人和機(jī)器人團(tuán)隊(duì)的編排和重組，如何在他們之間建立自動(dòng)適應(yīng)能力。智能自動(dòng)化、在產(chǎn)品和流程中嵌入感應(yīng)器、可重構(gòu)的機(jī)器人、無(wú)線實(shí)時(shí)感應(yīng)、對(duì)遙控機(jī)器人和遙控操作進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化控制都屬于這類技術(shù)范疇。我們還可以將這種機(jī)器人和自動(dòng)化設(shè)備智能化，也就是在這些系統(tǒng)中植入具有各種功能的感應(yīng)器，讓這些感應(yīng)器不斷地把生產(chǎn)、銷售過程以及整個(gè)產(chǎn)品生命周期的每一階段的表現(xiàn)都反饋給評(píng)估儀器。這種不斷的反饋可以讓我們改善產(chǎn)品設(shè)計(jì)、優(yōu)化產(chǎn)品，讓產(chǎn)品在整個(gè)生命周期中性能更好。

4.下一代電子產(chǎn)品：以硅基為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體可能在2020年就到達(dá)物質(zhì)形態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益的盡頭了?，F(xiàn)在還在研發(fā)中的下一代電子產(chǎn)品以其他材料為基礎(chǔ)，比如說(shuō)以鎵砷化合物為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體，用無(wú)掩膜光刻來(lái)打印電路，這些新技術(shù)就不再需要昂貴的模具，并可用于進(jìn)行有機(jī)或者是伸展性很強(qiáng)的半導(dǎo)體基板開發(fā)。我們發(fā)現(xiàn)大家都在積極探索的領(lǐng)域有紫外線納米光刻技術(shù)、配有感應(yīng)和控制系統(tǒng)的多功能儀器、新電腦界面、無(wú)線工廠等。

5.藥品的持續(xù)性生產(chǎn)以及生物制造：醫(yī)藥界正在努力減少小分子藥物化工生產(chǎn)，同時(shí)給保留下來(lái)的生產(chǎn)過程提供更多靈活性，并對(duì)這些過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。這樣的做法不但能夠提高“拳頭產(chǎn)品”的生產(chǎn)效率，還可以給產(chǎn)量很小的所謂“孤兒藥品”提供有經(jīng)濟(jì)效益的生產(chǎn)機(jī)會(huì)。同時(shí)進(jìn)行的研究還有把細(xì)胞和細(xì)菌變成程序化的“工廠”，可以隨時(shí)生產(chǎn)出根據(jù)病人的特別要求而專門設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)和復(fù)合物。藥品生產(chǎn)和生物生產(chǎn)都屬于這類技術(shù)。例如，麻省理工學(xué)院化學(xué)工程系的伯恩哈特？特勞特（ Bernhardt Trout）和他的同事們正在為藥品生產(chǎn)來(lái)至開發(fā)一個(gè)持續(xù)性的生產(chǎn)流程。其他研究方向有以干細(xì)胞為基礎(chǔ)的生產(chǎn)、人體器官工程和制造、人體組織生產(chǎn)等。

6.供應(yīng)鏈和物流的設(shè)計(jì)和管理：研究中發(fā)現(xiàn)的第6類新技術(shù)要解決的問題是，如何在多層次的供應(yīng)鏈中組織、管理一個(gè)龐大而分散的供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)。產(chǎn)品分銷系統(tǒng)創(chuàng)新可以大大地提高這方面的效率。降低本國(guó)銷售成本之后，對(duì)把生產(chǎn)制造流程設(shè)置在哪里所考量的因素也就變了。能夠降低分銷成本的技術(shù)有標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)和信息技術(shù)兩類，演算法、數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)等技術(shù)可以對(duì)幾百萬(wàn)個(gè)正在工廠、物流中心和零售店之間流動(dòng)的商品進(jìn)行管理和跟蹤。把互聯(lián)網(wǎng)和射頻識(shí)別技術(shù)、識(shí)別碼技術(shù)等其他技術(shù)結(jié)合起來(lái)，就能夠?qū)ι唐泛土悴考M(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，這方面的發(fā)展也很迅猛。這些技術(shù)能夠很有效地處理小批量貨物的物流，還可以防止客戶買到假冒偽劣產(chǎn)品。

7.綠色和可持續(xù)制造業(yè)：有些原材料變得越來(lái)越稀缺，像稀土等原材料雖然不稀缺卻有買不到的可能，這就使得提高生產(chǎn)制造效率、保證生產(chǎn)制造流程可持續(xù)進(jìn)行變得更加重要。運(yùn)輸費(fèi)用不斷提高、新的環(huán)保監(jiān)管條例更加產(chǎn)格，在這些因素的推動(dòng)下，制造業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展變得更加迫切。這方面的研究重點(diǎn)是如何通過對(duì)原材料的重復(fù)使用、再制造和回收利用來(lái)堵上材料循環(huán)的漏洞，以及如何在生產(chǎn)過程中達(dá)到能源消耗最小化。光伏產(chǎn)業(yè)、聚光太陽(yáng)能和電池儲(chǔ)存方面的研究都非常重要，也正在大量進(jìn)行。