大纖維與編材制造：一場基于纖維材料的工業革命

王健

工業革命內在邏輯的不同視角

前幾年大家談工業4.0和智能制造比較多，在回顧歷次工業革命時，通常從制造技術進步和管理流程變革兩個角度來解讀。比較有意思的是中國工程院原院長周濟總結的HCPS（人-Cyber-物理系統），把人納入物理世界和Cyber世界的互動之中；這兩年大家關注工業互聯網，主要從數字驅動和商業模式演變的角度來闡釋，但我們始終不能忘記GE工業互聯網白皮書看問題的角度，即探索和重新定義人和機器的邊界；最近熱點轉移到人工智能（AI）和智能機器人上來了，看問題的角度多是技術落地和社會倫理。盡管AI和機器人各自發展了數十年，強人工智能和能夠理解情感和人類智慧的機器人距離我們還十分遙遠，但人們很愿意討論機器智能和人類智能的關系問題。不久前看一篇國際紡織機械展覽會（ITMA）會刊上關于紡織工業可持續創新方面的訪談文章，受訪者提了一個“3P”的概念，即無論采用何種技術，無論過程如何演進，我們都在尋求人（People）、地球（Planet）、利潤（Profit）三者之間的更高水平的平衡。看起來，無論世道如何演變，我們都離不開對人的關注，離不開人和人造系統的關系。

關于下一次工業革命所發生的領域，已經有很多不同的預測，比如AI、能源、生物、信息和材料領域。最近有一篇文章介紹卡耐基梅隆大學的科學家們開發出了新的非侵入腦機接口技術，可以僅僅依靠頭戴式傳感器采集大腦皮層的腦電波信號，實現由人的意識控制機器臂跟蹤電腦屏幕上隨機出現的小球。據稱該技術的發展將引發人機交互領域的新革命，帶來健康養老等領域的技術飛躍。這樣的“黑科技”實際上是柔性可穿戴智能傳感技術、人工智能技術、機器人技術和信息通信技術的交叉融合。所以更加客觀的觀點其實是下一次工業革命是充分跨界的，是由不同領域的科技突破互相促進、互相融合之后共同激發的，而新材料及其制造技術的重大突破是所有這些領域發展的共同使能要素。

大纖維：一場跨領域、跨學科的工業革命

2014年底，一群主要來自上海和北京，由紡織工程、工業自動化、半導體、鋼鐵、科技情報和媒體等跨界背景的專家自發組建的工作組，在智能制造和傳統產業升級的大背景下，開始關注德國未來紡織（FutureTEX）計劃。2016年4月，中國科技自動化聯盟紡織未來工作組正式成立，同時開始跟蹤美國革命性纖維與織物制造創新中心（RFT-MII）的運作和研究領域。工作組專家們反復論證后意識到：纖維，作為一種長徑比超過一定數值的材料，其涵蓋范圍非常廣泛，而基于下一代纖維的科技革命和由此推動的下一輪產業革命初現端倪，其范圍已大大突破了纖維的傳統應用行業——紡織行業，將在更多傳統和新興行業里面起到巨大的推動作用。2016年7月，專家們正式在世界范圍內首次提出“大纖維”這一創新概念，同時將工作組更名為大纖維產業工作組。從此開始了發現、推動、編織大纖維產業的歷程。

大纖維是基于材料、信息、機電、生物、能源等學科領域的技術突破與交叉融合，以“智能、超能、綠色”為特征，具有多功能、多結構、多組分特性，對眾多產業集群起到高滲透性、顛覆性、革命性提升效果的新一代纖維。一個以先進纖維材料為基礎，具備多組分、多結構和多功能特點，能夠感知、計算、儲能、通信、執行的新型智能纖維家族已經開始出現并走向市場，國內復旦大學、浙江大學、東華大學等高校和研究機構均有類似技術和產品的研發，有的還注冊了公司進行小規模制造和產業化。

這方面的例子有很多，如香港理工大學陶肖明團隊從事的基于纖維的智能可穿戴技術開發，致力于通過纖維解決發電、傳感和通信問題，下一代可穿戴設備將在高性能織物里面集成這些功能，從而實現從外掛到內嵌再到內生的跨越。中科院蘇州納米所李清文團隊從事的基于碳納米管的高性能納米纖維研發，有可能為我們帶來新的具備超級性能的纖維品種，從而取代被日本東麗壟斷的碳纖維。蜘蛛絲幾十年來用傳統化學合成理論和方法一直無法制造出來，現在采用生物合成理論，用蜘蛛基因調控家蠶和細菌的蛋白質分子，已經能量產高性能蜘蛛絲，這被認為是自尼龍問世以來最重要的紡織材料進步。上海長勝集團用冷轉印（cooltrans）技術精確定量以印代染，顛覆了幾千年來大量使用稀釋染液的印染工藝，實現基本無水耗無排放印染，而且可直接在織物上印染高精密功能線條和圖案，成為發展智能電子織物產業化的平臺技術。

在柔韌性、輕量化、多功能、高性能、綠色化、智能化等方面，大纖維相比傳統材料如鋼材、塑料等有明顯的差異化優勢。鋼材的主要特征是強度高、塑性好、韌性好、耐沖擊、性能穩定、加工性好等，但也有易銹蝕、維護費用高、耐火性差、生產能耗大等缺點。在高性能鋼材的傳統優勢應用領域，如汽車和飛機制造等，已經有越來越高的比例將使用基于纖維的復合材料以達到更高的柔韌性、輕量化和高能效。2018年底曾有文章報道了一個智能碳纖維汽車車身的實例，既輕量化又能根據風阻變形。碳纖維車身用3D織造（完全省掉了裁剪、沖壓、焊接等金屬加工工序）復合制成，又在織物中混合了具有太陽能發電功能的纖維，可取代部分電池。多功能碳纖維的采用使整車性價比大大提高。這是很典型的大纖維部分取代傳統材料的應用案例。

更進一步，智能、超能、綠色特征的進一步交叉融合將催生許多完全嶄新的纖維品種，其中相當大的比例最終將轉化為巨大的商業價值，給下游許多產業帶來深刻的影響并從根本上改變這些產業的生態，從而誕生一個龐大的新興產業集群。我們把大纖維相關技術/產品以及圍繞下游豐富應用所形成的新產業集群叫作大纖維產業。

大纖維具有與生俱來的跨領域、跨學科的交叉特性。其理論基礎和技術路線也呈現百花齊放的勃勃生機。如在結構優化理論指導下，采用基于光纖的多材料、多結構產生多功能智能纖維；在納米理論指導下，發展基于碳納米管、石墨烯的高功能纖維；在高分子設計理論指導下，從分子結構上開發超高性能纖維；在合成生物學理論指導下，通過轉基因技術創造高性能生物纖維；等等。

正如上文談到的，歷次工業革命實際上都離不開對人和人造系統關系的重新定義，離不開一個關鍵詞：以人為本。大家都知道，人體70%以上的組織由纖維構成。擁有生物相容性的綠色纖維疊加了智能和多功能要素之后，所形成的新一代智能可穿戴系統或人體植入式系統，可以以最安全、最輕便、最有效的方式采集人體數據、監測人體健康、施加有效影響并幫助人提升健康和運動水平。基于所采集的數據形成的“數字人”，將成為人工智能社會里最重要、最大量的資產之一。只有到了這個階段，社會數字化才真正實現，而大纖維將成為人體世界、實體物理世界和虛擬信息世界之間最佳的橋梁。所以說大纖維的出現重新定義了人機邊界或者HCPS的邊界，一點都不為過。

編材制造：從原子到超系統的多層次制造技術

美國物理學家費曼提出過一個著名問題：“假如原子能夠按照我們設想的方式來排列，那么材料將會有怎樣的性質？”他的問題啟示高分子科學家要走出傳統高分子的范疇，將可控的分子不均一性及其相關的精確結構引入合成高分子，拓展合成高分子的基本結構，實現更為精密的功能化。在美國工程院院士程正迪等撰寫的“巨型分子：化學、物理學和生物科學的交匯”一文中提出“From structure to function”的思想，提示我們要從結構發展到關于功能性的考量。例如，紗布過去只是用于包扎傷口，但用大纖維來開發的智能紗布除了包扎傷口之外，還有消炎、治療功能，并能與遠程醫療系統連接在線監測病人狀況。

上述兩位科學家的思想告訴我們，在物理層次上，關于大纖維的討論絕不應僅僅著眼于在纖維和織物這樣的中觀層面上進行，還應該向微觀進發下探到分子和原子的基本層次，同時向宏觀擴展上升到器件和系統、甚至超系統（系統之系統）的層次。因此大纖維的物理層次包括七層，它們是：原子-分子（鏈）-纖維-織物-器件-系統-超系統。過去我們較多從纖維的結構特點和彼此之間的聯結關系出發指向具體的功能，現在則須更多從需求出發，確定功能性，再來設計纖維結構，必要時可以多組分、多結構融合獲取所需要的功能。

位于德國的歐洲最大的紡織研發中心——德國紡織和纖維研究所（DITF）——提出其研究范圍覆蓋從分子到產品的完整紡織產品和價值鏈，其技術競爭力體現在從高分子合成、纖維和紗線、織物和結構、功能化直至工業4.0的多個層次。德累斯頓技術大學機械科學與工程學院下設的紡織機械與高性能材料技術研究所（ITM）更進一步將研究范圍延伸到從原子到成品，其教學和研究的范疇分為四個層次：仿真和材料建模、產品開發、工藝技術開發和機械裝備開發。在筆者和這兩家單位的專家交流的過程中，他們普遍認為，其研究范圍早已經超出了傳統紡織的范疇，也不僅僅是技術性紡織品和非織造產品，屬于更加跨領域的高科技范疇。當他們聽說大纖維這一概念時，無一例外地表示認同。

大纖維兼具材料技術革命與制造技術革命的雙重意義。它充分利用現有的紡織和其他先進制造技術并不斷發展出新的制造技術，在前述從原子到超系統的各個層面進行制造活動。如在原子和分子層面的基因編輯技術或生物合成技術、雜化以及各類聚合物分子合成技術；在纖維和紗線層面，有濕式/干式紡技術、熔融紡技術、雙組分紡技術、變形和拉伸、非織造技術、短纖維技術和精密卷繞技術等；在織物和結構層面，有間隔技術、編織、編帶、機織、針織、編織連接、組織工程、膜技術、編織擠拉、結構卷繞技術等；在功能化和器件層面，有溶膠-凝膠技術、染整技術、數字印刷技術、納米技術、涂層、電子元件集成、傳感和執行特性的開發等；在智能系統和超系統層面，有建模仿真、虛擬化、自動化與機器人、3D打印（增材制造）、數字化、智能化、綠色和可持續制造技術等。

可見，大纖維對沿襲了幾千年的紡織及其制造工藝無疑具有顛覆性意義，如多材料智能纖維可用紡紗手段制造，多功能織物可以用織造和印刷手段制造，高性能織物可以用復合和混合手段制造。大纖維所對應的制造工藝技術體系，不僅容納了紡織工程常見的等材制造方法，常規材料加工所用的減材制造方法，以及以3D打印和機器人為代表的增材制造和數字建造方法，還有許多非常規的創新的制造工藝和方法有待我們進一步研究和開發。

可以這樣說，基于大纖維的從原子到超系統的制造技術體系極大豐富了我們的制造手段，可望成為繼以機床為代表的減材制造和以3D打印為代表的增材制造之后的又一類有著重要意義和極高價值的制造模式，大纖維產業工作組的專家們首次創新地稱之為“編材制造”。 這個“編”字，既反映了傳統意義上的纖維和紗線層面上的紡制和編織，更反映了在分子甚至原子層面的編輯和剪裁；既反映了在織物和器件層面上的集成和結構化，更反映了在系統和超系統層面上的多維數字化編程而賦予對象自動化和智能化的屬性。

結語

大纖維面向未來智能社會的發展需求，以下一代智能、超能、綠色纖維為特征，展現了從原子到產品、再到系統和超系統的廣大縱深。其應用行業不僅覆蓋傳統領域如技術性紡織品、能源、輕量化構造、醫療、建筑和土木工程，還對諸多戰略性新興產業具有強大的促進作用，如物聯網、半導體、汽車、航空航天、智能機器人等。我們知道摩爾定律支撐了半導體工業最近50年的發展，而按照麻省理工學院校長拉斐爾·賴夫（Rafael Reif）的說法：“基于纖維的半導體（與硅基半導體完全不同）的集成度正在按照每12個月翻一番的新摩爾定律增長，這足以創造一個新行業！”

與大纖維相關的以編材制造命名的新制造技術體系，不僅涵蓋了常規的等材制造、減材制造和新興的數字化增材制造技術，而且包含了大量創新的尖端的制造工藝和技術。如采用編材制造技術制造多功能、多結構的智能纖維，進一步可基于智能纖維高效、連續、低成本地制造各種功能的智能電子信息系統、智能機器人和裝備。對編材制造工藝技術的研究和掌握，以及相應研發、制造、測試和驗證裝備的開發，是大纖維最終走向產業應用的必由之路，同時也是一片新的制造業藍海。正所謂“一代材料、一代工藝、一代裝備”。

眾所周知，現代工業體系有兩個最基本的立足點，一個是材料，另一個是精密制造與加工。中國制造業產業鏈盡管相對比較完整，但在這兩個立足點上還十分薄弱，長期依靠跟隨策略難以解決根本問題，必須開辟新路。而大纖維及編材制造的興起，預示著又一場新的、由材料突破和制造突破雙輪驅動的工業革命即將來臨！抓住這兩個戰略支點，就抓住了建立強大現代工業的牛鼻子，就有可能為我們的制造強國夢帶來全局性的突破！