从制造到智造：关键的七大技术

苏珊娜·伯杰

苏珊娜· 伯杰出版：浙江教育出版社

纵观美国经济发展的历史，科学技术、生产流程、商业模式的新结合总是能够带来生产效率的大幅提高，让美国在工业发展中处于领导地位。我们现在已经可以看到能够给21世纪制造业创造出一个先进生产系统的新模式。

在过去10多年间，制造业发生了很大的变化，但是今天的制造业和大规模生产时期的制造业还是非常相似的，它们基本上还是同一个系统。美国现在正站在这个系统巨变的边缘上，美国各地的实验室和研究中心正在推出一整套全新技术，这套新技術会完全打破原有的直线型生产安排模式。第一，美国合成新材料的能力已经上了一个新台阶，材料设计就像加工、组装一样，是生产过程中不可缺少的一环。人工合成材料对下游工序有着重大影响，使用人工合成材料就有可能把加工和组装的一些步骤合并或者删除，比如涂层就变得不那么必要了。第二，加工和组装之间的界线越来越模糊，因为新出现的流程和自动化设备都是超高效率的，甚至出现了整条生产线只为一个产品设计的连续性生产过程，加工和组装都一气呵成。第三，最终的产品往往不仅仅是一个工艺品或者是一个小器具，而是一套把服务、软件和产品捆绑在一起的综合性解决方案。第四，新的潮流是建立一套机制，把回收材料有序地运用到加工过程以及新材料合成中去。

一波新科技正在进入制造业，我们称之为先进制造业，上面描述的种种变化只是其中的一部分。先进制造业的定义很多，其中一些把先进制造业的范围限定在对某些科学技术的使用上，或者是规定只有使用这些科学技术生产出来的产品才能被称为先进制造业。比如，总统科技顾问委员会在2011年6月发表了《给总统的关于确保美国在先进制造业中的领导地位的报告》，报告将先进制造业定义为：通过协调使用信息、自动化、电脑、软件、遥感、网络等科学技术来进行的活动;以最先进的材料学、物理学、生物科学研究成果为基础进行的活动，比如纳米科学、化学和生物学。先进制造业既包括制造现有产品的新方法，也包括从先进的新科技中发明创造出来的新产品。

先进制造业同盟（ The Advanced Manufacturing）在2012年7月的报告中也用了同样的定义。美国国防情报学院在2012年发表了《全球先进制造业的新兴潮流》，这里用的定义更加全面些，但也不过就是涵盖了更多的商业行为而已，这个定义是这么说的：通过使用科学技术、工程技术和信息技术、高精密度的工具和方法、高效率的员工队伍、富于创造性的商业和组织模式，先进的制造业对现有的材料、产品和流程进行优化，或者是创造出全新的材料、产品和流程。

把一个现象的界线清楚地划分出来很有必要，PIE委员会（麻省理工学院创新经济生产委员会）的研究人员对大学实验室、企业和政府实验室里孕育着的科学技术做了观察，也观察了创新型制造企业的实际运作模式，根据这些观察结果，我们认为这个定义的范围还该更广些，不要局限于某些科技领域或者产业，而且应把着重点放在最前沿的科技变化上。我们认为先进制造业应该是一种可持续的创造能力，它能够把实物产品和服务、软件结合起来，创造出一代又一代的解决方案。要持续、高效、快速地生产出一代又一代的解决方案，就要越来越多地用到为特定客户专门设计的原材料，也会越来越多地用到回收材料。先进制造业当然会存在于生物技术产业的生产制造过程中，但是它不仅存在于新兴产业，像纺织这样的老产业也会发现它的踪影。先进制造技术是在创新系统和工业生产系统的交界处孕育出来的。这就有点像图中描述的前馈和反馈系统。

在浏览了麻省理工学院内部研究成果、美国大学制造业相关课程的调查以及相关文献之后，我们发现了一系列能够提高生产力和生产效率的制造业新技术，这些新技术还能够加快创新投放市场的速度。我们从收集到的数据里，找到了科学技术给制造业创造的三大机会，这些机会很可能在未来5年就变成现实。

第一，新技术能够催生现在还没有的新产品。这类新技术包括非晶半导体、可穿戴电子产品、以生物学为基础而研制出来的药品和燃料、有推动性能的微型卫星。这些领域的很多新技术都可能创造出新的商机甚至新的产业，这些产业会带来巨大的新需求，创造出大量的经济活动。问题的关键在于，这些产业能否带来足够的价值和兴趣，经过一段时间后和现有产品在市场上共或者取代一部分现有产品。

创新制造业交界处的位置

第二，程序化的生产制造流程有机会得到大发展，因为它不需要资本密集的仪器和固定装置。其中一个大潮流是3D打印技术和无掩膜光刻纳米技术将会大大降低对昂贵的定制生产器材的需求。这些新技术让生产过程变得更灵活了，但是它们必须克服几个难题：用这些技术生产出来的产品能够保证达到指定的精确度吗？它们能够促进分布式制造的发展吗？分布式制造就是把产品拿到靠近最终客户的小型生产设施里去生产，这些生产设施不是为生产某一种产品而专门建立的，而是可以根据要生产产品的不同，因地制宜地随时进行灵活地调整的。

第三，新技术也为现存的大规模生产流程提供了新的机会，在新技术的帮助下，现存的生产流程可以提高生产力，更加灵活地进行生产。像射频识别术等科技可以在生产和销售过程中跟踪零部件;机器人和人一起合作虽然不是颠覆行业的创新，但是可以在现存的制造业价值链上提高效率和生产力。如果美国将上面提到的科学技术开发出来，那么关键的问题就变成了，能不能在美国工业界众多的参与者中，找到足够多的企业采纳这些新技术？

我们再对收集到的数据做了更详细的研究，发现可以把这些数据归纳为7大技术类型：

1.材料和表面的纳米工程：这就是把功能性材料和多功能性材料在纳米级和微米级进行重新合成和排列。这些材料既包括无机的金属和复合物，也包括生物材料和复杂的聚合物。这些技术不单对材料的自然形态进行了修改而且它们创造来的合成材料在自然界根本就不存在。我们为此举办了美国制造业计划调查，得到的回复表明，大面积的石墨烯生产、软材料制造、半导体的3D集成电路、纳米纤维复合材料、表面纳米蚀刻法最有可能进入大规模生产，而且前途无量。

2.增材制造和精密仪器制造：这类技术包括把粉状或者是丝状金属原材料一层一层地建成复杂的三维形状。这种生产过程全程都是数字方式控制的，不需要造价昂贵的专属模具。在小范围内活动，灵活听指挥的执行器和感应器也是这类技术的一部分。在这些领域里，最常提及的应用是家庭式3D打印、与电脑辅助设计结合在一起的快速原型机制造、下一代喷射模塑法、先进的电火花线切割加工、用于原型机制造的类似金属氧化物半导体制造执行系统的铸造系统、以激光为基础的制造流程、用金属烧结法及成形法来制造专属零部件等。

3.机器人和适应性自动化：这类技术主要是在生产制造过程中对机器人和自动化仪器的智能化运用。这些技术会应用在生产过程中，尤其是在对精密度要求非常高、工作任务需要重复进行且很容易标准化的时候，以及需要用到很大的力量和扭矩的时候取代人工操作，或者对人工操作进行补充的时候。在这类技术中，很多人在积极地研究如何进行人和机器人团队的编排和重组，如何在他们之间建立自动适应能力。智能自动化、在产品和流程中嵌入感应器、可重构的机器人、无线实时感应、对遥控机器人和遥控操作进行网络化控制都属于这类技术范畴。我们还可以将这种机器人和自动化设备智能化，也就是在这些系统中植入具有各种功能的感应器，让这些感应器不断地把生产、销售过程以及整个产品生命周期的每一阶段的表现都反馈给评估仪器。这种不断的反馈可以让我们改善产品设计、优化产品，让产品在整个生命周期中性能更好。

4.下一代电子产品：以硅基为基础的半导体可能在2020年就到达物质形态和经济效益的尽头了。现在还在研发中的下一代电子产品以其他材料为基础，比如说以镓砷化合物为基础的半导体，用无掩膜光刻来打印电路，这些新技术就不再需要昂贵的模具，并可用于进行有机或者是伸展性很强的半导体基板开发。我们发现大家都在积极探索的领域有紫外线纳米光刻技术、配有感应和控制系统的多功能仪器、新电脑界面、无线工厂等。

5.药品的持续性生产以及生物制造：医药界正在努力减少小分子药物化工生产，同时给保留下来的生产过程提供更多灵活性，并对这些过程进行实时监控和管理。这样的做法不但能够提高“拳头产品”的生产效率，还可以给产量很小的所谓“孤儿药品”提供有经济效益的生产机会。同时进行的研究还有把细胞和细菌变成程序化的“工厂”，可以随时生产出根据病人的特别要求而专门设计的蛋白质和复合物。药品生产和生物生产都属于这类技术。例如，麻省理工学院化学工程系的伯恩哈特？特劳特（ Bernhardt Trout）和他的同事们正在为药品生产来至开发一个持续性的生产流程。其他研究方向有以干细胞为基础的生产、人体器官工程和制造、人体组织生产等。

6.供应链和物流的设计和管理：研究中发现的第6类新技术要解决的问题是，如何在多层次的供应链中组织、管理一个庞大而分散的供应商网络。产品分销系统创新可以大大地提高这方面的效率。降低本国销售成本之后，对把生产制造流程设置在哪里所考量的因素也就變了。能够降低分销成本的技术有标准技术和信息技术两类，演算法、数据库管理技术等技术可以对几百万个正在工厂、物流中心和零售店之间流动的商品进行管理和跟踪。把互联网和射频识别技术、识别码技术等其他技术结合起来，就能够对商品和零部件进行实时跟踪，这方面的发展也很迅猛。这些技术能够很有效地处理小批量货物的物流，还可以防止客户买到假冒伪劣产品。

7.绿色和可持续制造业：有些原材料变得越来越稀缺，像稀土等原材料虽然不稀缺却有买不到的可能，这就使得提高生产制造效率、保证生产制造流程可持续进行变得更加重要。运输费用不断提高、新的环保监管条例更加产格，在这些因素的推动下，制造业的可持续性发展变得更加迫切。这方面的研究重点是如何通过对原材料的重复使用、再制造和回收利用来堵上材料循环的漏洞，以及如何在生产过程中达到能源消耗最小化。光伏产业、聚光太阳能和电池储存方面的研究都非常重要，也正在大量进行。