美国制造业的“阿波罗计划”——美国制造创新研究所网络（上）

编者按

最近，美国以“国家安全”为由将华为等企业列入所谓“实体清单”，限制这些中国企业购买美国零部件，此举被广泛视为把中美博弈从贸易进一步扩大到科技，意图通过打击中国，拖慢中国通过5G技术向先进制造业转型升级的速度。美国自身则正在采取一系列复杂的组合策略，一方面促进基础工业回流，另一方面紧抓先进制造业的发展。《先进制造：美国的新创新政策》是麻省理工学院华盛顿办公室前任主任威廉姆•邦维利安等人的新著。该书回顾了美国制造业创新的历史，里面列举了大量美国发展先进制造业的案例，涉及美国先进制造创新研究所模式、初创公司在规模扩张期所遇到的制造方面问题的解决方案等。本刊经过授权，摘选了该书的部分内容，旨在激发读者对于中国发展先进制造业的思考。

“制造创新研究所”的核心目标是填补美国制造业创新体系的空白，即创造一个空间，通过产业界（大小企业）、高校和政府之间的合作，不断推动先进制造业的发展。据美国国家标准与技术研究院先进制造业办公室主任迈克尔•莫尔纳的介绍，新“国家制造创新研究所网络”的目标是：

为美国产业界和学术界创建一个有效的制造研究基础设施，解决与产业界相关的问题。国家制造创新研究所网络由相关联的制造创新研究所（IMI）组成，大家拥有共同的目标，但各有所重。在制造创新研究所中，产业界、学术界和政府合作伙伴将充分利用现有资源，共同协作和共同投资以鼓励制造创新并加速其商业化。作为可持续的制造创新中心，制造创新研究所将创造、展示和利用新功能、新产品和新流程，对商业生产施加影响。它们将在各个层面培养劳动力技能，并提高大小公司的制造能力。研究所将汇集所有合作伙伴中最出色的人才和技能，建立能够让创新蓬勃发展的试验场所，并推动美国国内制造业的发展。

在为期五年的时间内，联邦政府会给予每一个新研究所7000万～1.2亿美元不等的奖励。同时，企业、高校和地方政府也将联合为每家新研究所提供至少同等金额的配套资金。

创新政策背景下的制造研究所

制造研究所的概念不是凭空而来的，而是有一定的政策基础。战后，万尼瓦尔•布什针对美国战后研发机构的组织提出了颇具影响力的“管道模式”。该模式是一种“技术推动”或“技术供应”模式，即政府为初期研究提供支持，但在研究带来技术进步之后，在这些技术进步（尤其是根本性或突破性创新）的商业化过程中，政府只发挥有限的影响。开发和创新后期都交给私营部门。唐纳德•斯托克斯和其他人后来对布什提出的管道模式大加批判，尖锐地表示该模式本质上是脱节的，将系统的参与者分离开，彼此之间只有少量技术传递途径。刘易斯•伯兰斯卡姆和菲利普•奥尔斯瓦尔德则对“死亡之谷”进行了批判，即美国系统中研究和后期开发之间存在脱节，导致系统在研究成果商业化的问题上屡屡失败。在过去25年里，这个理论一直是美国科学和技术政策文献研究的重点，也带来了关于如何消除“死亡之谷”的讨论。

当然，美国的创新体系模式并不只有管道模式。其他模式还包括弗农•拉坦提出的“诱导创新”。这是一种主要的产业创新方式，先分析明确市场机会，然后通过创新来加以填补，一般是采用递进式发展。面对冷战时期的技术需求，国防部无法忍受脱节的模式，因此他们开发了“延伸管道”模式。通过这个模式，国防部不仅为初步研究提供支持，同时为开发、论证、原型制作、测试和初期市场推广提供支持。作为创新机构的美国国防高级研究计划局就是围绕这个联系更为密切的系统组建的。总的来说，美国最近数十年的创新模式都倾向于在这个创新管道中进一步延伸自己的触角。不过，美国的创新体系还没能覆盖制造阶段。

正如苏珊娜•伯杰所提出的，制造是创新体系中非常重要的一个阶段，尤其是新技术和高价值复杂产品的初期生产。人们在这方面进行了大量的探讨，但美国的创新部门并没有围绕就此开展工作。一个例外是半导体制造技术联盟，自20世纪80年代起开始得到美国国防高级研究计划局的支持。但正如上文提到的，其他国家早已经建立“制造业主导”创新体系，而且这种体系是德国、日本、韩国和中国的主导模式。“制造业主导”创新体系中，比较具有代表性的是日本在20世纪70年代到80年代的质量制造革命、德国通过弗劳恩霍夫研究所和学徒项目为工业提供支持的系统，以及最近中国的快速原型制作和规模化能力。

美国没有这种模式。不管是民用还是军用创新模式（即管道模式和延伸管道模式）都将重点放在更宽泛的技术开发上，而非制造业技术和工艺的创新。因此美国错过了制造业主导创新，并且在21世纪初期出现制造业基地衰落的现象，付出了巨大的代价。在制造业衰落问题的推动下，美国现在正在三种创新模式的基础上探索增加一个“制造业主导”模式，利用其强大的初期创新系统来应对生产领域的挑战。

同美国其他创新模式相比，该模式采取了截然不同的方法。其新的创新研究所网络不同于此前的各种尝试，每家创新研究所都需要数十家机构参与者的合作和成本分摊，相当复杂。这些机构参与者包括企业、高校、社区大学、州政府和联邦政府机构。每家研究所都将遵循激进的技术开发路线，并且实施劳动力培训项目。

创新政策理论家们分析发现，在创新体系的“前端（即研究阶段，通常是由政府投资，委托高校来进行研究）”和“后端（从开发后期到实施阶段，通常由私营部门主导）”之间存在空白区域。为了解决这个结构性问题，需要在政府支持下建立衔接机制。正如菲利普•沙皮拉和让•尤泰指出的，需要各种技术推广方法、各种中间机构和项目，既包括向小型制造商推广新生产技术和工艺流程的美国制造业扩展伙伴关系项目，也包括德国制造商们联合进行技术开发的弗劳恩霍夫研究所。各国为填补这个空白设立了一系列技术推广机构，美国制造创新研究所（以下简称“研究所”）是其中最新的成员。

研究所的背后有着一番雄心壮志，即利用研究所为一系列生产领域建立新的生产范例，可适用于大小企业，横跨供应链和各工业部门，由此大幅提高生产效率，使美国可以凭借强大的竞争优势重新进入制造业，同成本和薪酬更低的亚洲制造商同台竞争。其目标是创造更多的创新产品和创新技术，通过创新技术来提高效率，减少成本劣势，树立竞争优势。研究所将把美国的创新优势应用于生产阶段。正如前文所介绍的，这个阶段此前并非美国创新体系的关注所在。但不管是美国的批量生产还是日本的高质量制造，其背后的技术和工艺流程都曾具有一定的革命性，让那些国家成为当时的工业领导者，新的生产范例将力争带来同样的革命。这个意图能否实现？先进制造合作伙伴计划（AMP）研究所引述说，“科学家和工程师指出，一系列重大的新生产进步正出现在我们眼前”。

分析师蒂莫西•斯特金指出，还可以从另一个角度来看制造业的创新挑战。中国目前在大批量制造中建立了自己的优势，此前这是美国的专长。美国在两类生产中拥有出色的能力：一是混合生产制造，即满足地方市场需求，而高产量相对而言不是那么重要；还有一类是低产量的定制生产。这两类生产的规模都不是很大。如果美国实施先进制造，则能够提高其混合生产和定制生产能力，降低成本和提高效率，更好地与大批量生产进行竞争。这将有力地提升美国的生产能力和竞争能力。当然，中国和德国正在快速推进先进制造业，也是美国必须往这个方向发展的另一个原因。美国必须在被别国抛在后面之前充分发挥自身的创新优势。

新的生产范例会是什么呢？有一种范例可能会是数字化或“智能”生产，有时候被称为工业物联网。目前，制造商们的信息技术基础设施是各自为政，互不相连，而且保持着使用纸质媒介的手动系统，不能提供实时的动态信息，导致企业无法面对问题、客户和机会作出快速响应。然而，要撤除他们现有的系统，可能导致生产短时间的中断，破坏效率；如果将生产外包，则会导致进一步的脱节。现代企业开始在不同的生产阶段嵌入传感器，生成大量的数据，但由于缺乏连通性，阻碍了企业充分利用这些数据来实现改进的努力。如果将信息技术系统之间的连通性提升到一个全新的水平，外加增加传感器和提高数据分析能力，那样是否能实现新一代的智能生产，在生产的每一步都拥有新的视角和问题解决能力，大大提高效率呢？正如下文所探讨的，部分新的制造研究所承担了这项任务的关键部分。德国工业4.0主要是围绕这些项目进行的，这就是一种有潜力的新生产范例。

复杂的研究所和网络模型

这种挑战性范例为新研究所创造了一个复杂的模型。政府不再根据拨款申请中精心制作的计划来向“主要研究者”一次性拨款，委托实施科研项目。那是政府过去在研发工作中的做法。现在，拨款必须根据大量工业企业的需求来加以确定。这些工业企业来自于各行各业，规模各有不同。此外，还要考虑大型研究型高校、地区大学、社区学院等各种学术机构的需求。州政府将与产业界和联邦政府一起成为共同投资者，为特定的相关项目提供支持。此外，地区经济发展机构也将参与其中。除了美国半导体制造技术联盟之外，联邦政府以前从未尝试过如此复杂的事情。正如一位深入参与先进制造业工作的国防部官员所说，“创立一家研究所就像是创立一个国家”。

研究所的参与者队伍非常复杂，它们的任务清单也很复杂：

（1）“创造”新的生产技术、工艺流程和“能力”；

（2）充当“试验场所”，对新技术和相关工艺进行测试；

（3）支持新的生产创新的“利用”；

（4）“培养劳动力的技能”，改善新兴技术的生产和工艺。

其总体目标是围绕每家研究所的重点创新领域实现美国国内制造业的“蓬勃发展”。

在各个独立的研究所之上，还会建立一个制造研究所的“网络”，以进行交叉合作、交流最佳实践。随着先进制造业站稳脚跟，未来，中小型制造商可能不只在3D打印方面存在问题，从数字生产技术到先进材料的应用等多个新领域都会面临一系列的生产挑战。生产将主要集中在一些侧重于特定生产领域的地区，例如中西部地区的汽车产业、沿海地区的航空航天产业、东北地区的制药产业等。虽然研究所需要扎根于地区经济，但它们还必须在全美范围内转化自己的技术和专有知识。研究所和国家制造创新研究所网络在地区和全美都有一个重要的总体任务。

新研究所及其网络的任务可能不像美国国家航空航天局的“登月计划”那样复杂，但也是一个大型计划。“阿波罗登月计划”采用的是政府合同的模式，即政府在实现目标的过程中只是投入资金。但对制造研究所而言，要想取得成功，众多参与者之间必须紧密合作，同时需要大量的资金来源。此外，在急剧衰退并逐渐老化的工业部门中，还必须出现具有挑战性的技术进步。不管怎样，新的研究所必须在五年内实现自我维持。

项目核心：制造研究所

至2016年秋，美国国防部共赞助了6家这样的研究所，美国能源部赞助了3家研究所。2017年初增加5家研究所，总数将达到14家。这些研究所所支持的技术相当广泛，充分显示先进制造业革命带来的深远影响。这种技术宽度或许是美式方法中最有趣的地方，也值得细述。下面简要介绍这些研究所及其技术领域。

•国家增材制造研究所(NAMII)

这是第一家制造研究所，成立于2012年。总部位于俄亥俄州的扬斯敦，在俄亥俄州克利夫兰市和宾夕法尼亚州匹兹堡市的走廊地带建立了区域基地，专注于3D打印技术，该技术也被称为增材制造。增材制造是一种材料连接工艺，使用三维计算机模型数据一层接一层地来制造器件，而减材制造则依赖于传统机床。增材制造通常使用金属或聚合物的粉末，甚至是组织。它的竞争优势在于，只要将零件的三维数字参数输入到打印机中，零件就可以被制造出来，从而为按需大批量定制创造新的市场。重要的一点在于，这些工艺可以最大限度地减少材料浪费和模具需求，并可能压缩供应链中的要素和环节。

这种技术也能够生产无法通过铸造、模制和锻造等传统制造工艺以较低成本制造的全新零部件和全新结构。如果逐层叠加的速度得到大幅提高，那么增材制造就可以直接与大批量生产技术进行竞争。同时，该技术将被用于现场更换零部件，减少零部件的库存需求，并制造现有工艺无法生产的、更为错综复杂的零部件。它可能是21世纪的突破性生产技术，是实现大规模定制的关键因素（大规模定制是指以大批量生产的成本来生产小批量个性化设计的产品。3D打印可以使生产本地化，第一次实现生产的规模降低，尽管在生产制造的历史上只有过追求规模扩大）。

通过激烈的竞争和选择，参与国家增材制造研究所的州政府和企业提供了约1亿美元的资金，以配套空军制造技术项目提供的5000万美元资金。国家增材制造研究所的使命是消除科研、技术开发与技术利用之间的缺口，加速增材制造。参与者囊括遍布全国的53家大小公司，特别是在中西部地区。其中围绕3D打印技术组建的公司，包括3D系统公司（3D Systems）、大型的航空航天公司（如波音公司、洛克希德马丁公司、联合技术公司和诺斯罗普•格鲁曼公司）和大量小型制造公司。对那些航空航天公司而言，3D打印技术可能发挥变革性的影响。而高校既包括了大型研究型大学，也有社区学院。从州政府部门到行业协会，还有其他二十余个组织参与其中。

该联盟围绕设计、材料、工艺和供应链制订了详细的技术路线图。此外还开展了增材制造材料“基因组”的研究，使用新颖的计算方法（比如基于物理学和模型辅助的材料特性预测工具），以节省设计、开发和鉴定增材制造新材料的时间和成本。该研究所着手建立了一套基础设施，用于分享增材制造的设想和研究，开发和评估增材制造技术，与教育机构和制造商合作进行新领域的培训，并且为中小型企业和资源牵线搭桥，使它们能够使用增材制造。国家增材制造研究所的一个重点是研发和技术开发项目，其特色是高校和产业界的联合。例如，剑桥大学的波音、霍尼韦尔和德雷珀实验室（Boeing，Honeywell and Draper Lab）正致力于将一系列电子制造技术嵌入3D打印过程中，如精密加工、热塑性挤压、直接箔嵌入、嵌线和布线管理等。除此之外，还有30多个同等规模的高校产业界联合开发项目。

事实证明，在竞争激烈且规模较大的航空航天企业内，信息和知识产权共享是相当复杂的，也会影响到技术开发。但该研究所已经发挥重要的影响，将新的3D打印共同体联合在一起，帮助参与者了解哪些研究人员和企业正在致力于哪些科学进步的研究，从而推动彼此之间的联系和外包。研究所也在通过模拟和建模帮助美国国防部推动新航空航天零部件的审批流程，提高速度，降低成本，这将为整个产业带来巨大的效益。

美国国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开展模式与国家增材制造研究所相当。

（未完待续）