思维决定创新

美国在1776年宣布独立时还是一个农业社会，但现代工程很快就为社会带来了变革。到20世纪20年代，美国凭借两项超级创新（电力和内燃机）的发展成为工业强国。而美国20世纪20年代之后的重大工程创新讲述了一系列独特的故事。

在美国垦务局的委派下，工程师弗兰克·韦茅斯（Frank Weymouth）一改传统坝体设计思路，采用拱形坝而非重力坝的结构设计了胡佛大坝，在达到相同阻水效果的同时消耗了更少的建筑材料。西部不断建起的大坝成功控制住了河流，使美国西部具备了建设现代生活的条件。在罗斯福政府的推动下，以工程师亚瑟·摩根为首的田纳西河流域管理局（TVA）以此为蓝本重新设计了流域内的公共工程与生活方式。汽车的普及和车载重量的提升，对美国道路设计提出了更高的要求，在联邦政府的支持下，托马斯·麦克唐纳（Thomas MacDonald）通过“贝茨道路测试”，重新设计了道路材料成分，并主张汽车采用对路面危害更小的充气轮胎而非传统的实心轮胎，进一步推动了美国20世纪最伟大的基建项目——全国公路路网的建成，促进了美国向郊区文明的转变。在城市以公路为依托于平面上扩展的同时，工程师法兹勒·汗（Fazlur Khan）设计的框架筒体系结构解决了城市建设超高层建筑的难题，这种使用更少钢材料却又能很好抵御风力的框架式建筑结构，使得美国城市不断攀升的天际线成为可能。对核裂变的可控制使用成为50年代后能源领域的焦点，在美国海军部的支持下，工程师海曼·里科弗（Hyman Rickover）创新设计了可移动式压水核反应堆，并成功运用在第一艘核动力潜艇“鹦鹉螺”号上。飞机飞行速度的不断刷新对发动机的功力提出了新的要求，工程师弗兰克·惠特尔（Frank Whittle）放弃了传统的螺旋桨发动机方案，创新地提出使用叶片式转轮压缩空气进行燃烧来获得推力的设计方案，即喷气式发动机，使飞机飞行速度突破音速成为现实。对电路性能的进一步追求催生了对于真空管变革的需求，在军方买家的资助下，德州仪器公司工程师杰克·圣克莱尔·基尔比（Jack St.Clair Kilby）认为晶体管和其他电路都可以由硅之类的单一材料制成，而非当时业界公认的必须掺杂其他元素，并在研究后重新设计了单片晶体管。罗伯特·诺伊斯则在基尔比“单片电路构想”的基础上发现机器组装和二氧化硅层封装能让电路设计更为小型化与平面化，集成电路由此诞生;紧接着，在集成电路的带动下，计算机以及计算机网络获得了革命性进展……

这些关键的技术创新只是日常生活的一部分，但对大多数人而言，创造它的工程是遥远和难以理解的。很少有人知道支撑现代生活的主要技术是如何运行的，或者是如何产生的。大多数人将技术的革命性变革归结于科学的创新以及科学家的贡献，而非将之与工程设计和工程师相联系。

理解这些工程创新，需要重新认识创新在现代生活中的位置与状态，区分工程与科学之间的差异，把握创新与社会之间的关联与互动，并以此为起点构建对于未来的憧憬。

再识创新

常规创新和激进创新

技术创新以其对社会的工程重要性著称，这种重要性可以从三个方面来考虑。大多数社会认为创新是对现有商品和服务的改進。这些进步经常发生，并且通常对企业的成功至关重要，但它们的重要性往往是短暂的。一种更重要的创新可以为现有产品引入新用途，或者引入对现有行业产生重大影响的新产品或新工艺。最后，有一小部分创新已经在很长一段时间内对社会产生了根本性的变革影响，例如一个多世纪前电力和机动车的发展，而导致今天数字计算的进步可能是相对激进的。

各种创新之间的差异并不是精确的，它们对现代社会都至关重要。关键在于，创新并不是在一个层面上持续不断的变化。为清晰起见，我们采用航空历史学家沃尔特·文森蒂（Walter Vincenti）对创新的两个层次的区分。增量和中间创新可以归类为常规创新，这类是公司和社会大部分时间都在做的创新类型。“激进”一词描述了以更根本的方式改变工程和社会的想法。

激进创新的传统描述是一两个人的突破性思维，然后设计和展示原型。然而，一些激进的创新更应该被视为更大的集体努力。诚然，团队努力并不意味着创新工作在某种程度上是非个人力量的结果。更大的群体的工作仍然是多个个体的工作的集合，个体有能力在必要时独立思考，也有能力为一个共同目标一起努力。

工程与科学

工程和科学这两种活动，往往被公众视为一个整体——科学。公众通常认为科学是新见解的源泉，而工程作为其应用，这种描述具有误导性。从广义上讲，科学家和工程师各有一项核心竞争力：对科学家来说，是发现关于自然以及自然存在的事物的新事实;对工程师来说，是对自然不存在的事物的设计。20世纪20年代以前，现代工程的大部分根本性进步都没有依赖于上述意义上的科学作为刺激。从那时起，科学知识一直是创新的一个更重要的要求，但工程设计洞察力仍然是技术创新的关键。

科学家和工程师都具有创造性，因为他们都质疑知识的界限：科学家挑战我们对自然的理解;而工程师挑战我们对设计能力的理解。这两类人也将对方的工作作为自己工作的一部分加以完成。但是术语的清晰性应该被重视：当在研究自然或自然属性的一个方面时，实际上是在做科学工作;而从事设计工作时，实际上是在做工程工作。使用“科学”一词来指代这两种活动，实际上模糊了设计新事物所需的独立思考能力。

如果将工程学认为是应用科学，其中科学提供了基本的知识，工程师只是找到了使用它的应用方法，那么就不需要爱迪生所拥有的那种独立洞察力。有些人可能将工程师的工作称为应用科学，但是如今工程师经常利用科学知识，工程师是独立思考并以工程需求为指导的设计师。

四个原型理念

我们将重大的创新突破分为四类：结构、机器、网络和过程。

这些类别是根据其基本功能进行区分的。一个结构可以支撑或承受重量，并需要尽可能稳固，“结构”上的主要突破包括大型水利工程、现代化公路桥梁和高层建筑。

“机器”通过移动自身的一部分或通过移动部件来工作，例如固定式蒸汽机、铁路机车以及汽车和飞机中使用的内燃机等原动机。

“网络”是一个系统，它以最小的损失将某些东西从一个地方传输到另一个地方，电话网络、电网、无线电和电视广播以及使现代计算成为可能的电路都是以这种方式运行。

“过程”是一个系统，它可以将一种事物转化或改变为另一种事物，将铁转化为钢、将原油转化为汽油以及将其他化学品转化为有用产品的过程就是例子。

这四种思维方式推动产生了现代工程的四个最初的分支：土木、机械、电气和化学。

今天的许多工程学校内部都划分出了更多的系、项目和专业，许多工程理念涉及不止一个功能，例如20世纪的汽车工程整合了电力、化学燃烧、机械运动和钢框架等功能。但是，结构、机器、网络和过程这四个概念有助于理解最重要的创新的工作原理。

三种视角

最后一组要区分的概念包括所有工程师在进行设计之前必须回答的三个问题。首先，这个物件能不能被制造出来，它会不会是高效和安全的？这些问题通常涉及必须计算和测试的物理关系。其次，该物件能够满足的需求或潜在用途是什么？设计和制造的成本是多少？收益是否值得？这些问题通常以金钱来衡量，金钱将工程、经济和政治联系起来。最后，如果该物件实用且确实能被制作出来，那么它是否还可以有一个吸引人的设计而不会显著增加成本？它会改善生活质量并对社会和自然环境产生可接受的影响吗？这些问题很难通过测试和测量来回答。答案取决于设计师的审美眼光和道德判断以及周围社会的包容度。

这些担忧意味着工程师有选择的自由。任何设计都可能是达成某些目标的几种方法之一，拥有这种自由为工程师提供了想象新可能性的空间。同时，这种自由也伴随着作出负责任选择的义务：有效利用材料和经济地使用公共或私人资金，坚持较高的道德标准，改善自然环境和人类生活。社会也可以选择如何资助和利用创新，但作为设计者，工程师负有首要责任。

如果没有政府或私人投资者的资金支持，变革性创新就无法成功，而工人和消费者的贡献对于实现这些创新也至关重要。社会可能会或可能不会为它们做好准备，工程师可能会也可能不会预料到它们产生的效果。这种激进的创新通常始于工程师的洞察力，他们能够超越通常认为的可能性。

政府的作用

20世纪后期，公众针对政府的作用形成了两种截然不同的观点：政府是重大创新的刺激因素还是阻碍因素？由于这场争论是关于政府所作所为的实际记录，笔者涉及的技术表明，政府在所有发明创新中发挥了至关重要的作用，但是政府的角色一直在改变。在电子领域，私人公司的工程师发明了晶体管和微芯片，但为了降低价格，需要联邦政府大量采购新设备。计算机和互联网最初是军事项目，但需要私人投资才能发展成新的民用产业。联邦政府和私营企业的互动方式很难与政府的两极分化观点相调和。

创新现在被许多人视为一个管理过程或“创新系统”的产品，它将政府、大学和企业联结在一起进行深入研究，其中专家同行团队具有很大的影响力。“冷战”期间，出于国防原因，联邦政府增加了工程和科学研究方面的支出。今天，它不仅继续支持国家安全，而且继续开发新技术推动民用经济增长。

此间，我们提出了两个关于联邦政府支持下研究的未来发展问题。

第一个问题是，科学是否先于工程。核物理的科学发现直接激发了对核能的探索，并且科学在晶体管中发挥了至关重要的作用。但是在这两种情况下的工程设计都来自不同且独立的想象力和洞察力。科学原理和自然属性的知识对于公共工程、新能源、航空航天和电子领域的突破性创新是必要的，但科学并没有提供设计所需的洞察力。工程和科学在未来可能会越来越交织在一起，但这两者同样是基础研究的基础，而不是一个来自另一个。

第二个问题是，将创新作为一种流程来管理和维持，是否对基本的工程洞察力有益。罕见的洞察力和（或）一次性目标是创新的特征，而不是任何正常意义上的流程的一部分。一个将创新作为流程来管理的系统有一个内置的机器映象，创新被视为来源于一种装配线。这种模式擅长产生更有限和更频繁的技术变化。基本的洞察力可能需要一个不以过程为导向的创新概念。

未来会怎样

美国西北大学的罗伯特·戈登（Robert Gordon）观察到，工业革命的许多成就都是一次性事件。戈登认为社会不需要重新发明汽车，未来会有更好的创造。一个多世纪前开始的现代供水系统和卫生设施、道路和桥梁、电力和其他技术也可能在工作方式上有所改进，但在本质上不需要重新发明。戈登认为，社会最终会进入一种以技术变革更为渐进、增长更为缓慢为特征的发展模式。

虽然过去两个世纪的发展趋势支持戈登的论点，但也要强调这样一个事实，即现代工程的趋势也是将人类从不想做的工作中解放出来。工业革命用机器和无生命的能量代替了人类和动物的肌肉力量和能量。两个世纪后，几乎所有发达国家的人都可以从事非农业工作。如果计算提高了机器能够可靠运行的能力，那么机器将越来越多地取代人类劳动。与此同时，它们也能将更多人从不想做的工作中解脱出来。

在旧职业中被取代的人的后代在新职业中找到工作的模式可能会继续下去。但是现代工程的长期发展趋势表明，有一天工作本身会成为一种选择而不是必需品。如果有一天机器将雇用人类的需求降低到目前水平的一小部分，就像20世纪的机器减少了农业所需的人数一样，那么这种自动化的好处似乎需要为人类共享，从那时起，工作可能会变得更加自愿。这可能是一个遥远的前景，但如果这一前景开始重塑社会对技术及其进步的手段和目的的看法，可能会有所帮助。技术进步是通向不断变化的需求和欲望的手段，这种观点只有在相对意义上才是正确的。事实上，人类的基本需求和欲望可能会以更持久的方式得到满足，它让人类可以从事其他活动，从而赋予人类生活其他意义。

现代社会首先必须使自己与自然保持可持续的平衡。伟大的创新产生了意想不到的后果，21世纪最大的工程挑战可能是减轻现代文明对自然环境的压力。这种压力对气候产生了危险的影响，使得疾病更容易从动物传播到人类。新的危险也可能因技术进步而出现，这些技术进步是社会在道德层面上准备好管理它们之前出现的。这种风险在使用计算机进行监控时显而易见，同时风险也可能出现在生物工程、生物合成和人类基因组操作中。这些前景强调了工程师和科学家的责任，他们知道如何处理这些事情。尽管受制于效率和经济需求，现代工程并不是不可避免的“最佳方法”，也不是假定的技术命令的操作。工程师和整个社会一样，对自己作出的选择有一定程度的自由和责任。

对大多数技术工作来说，现在需要的知识和技能水平比一个世纪前更高，但是仅靠技能无法产生富有成效的新见解。目前的工程知识和技能教授人们解决问题的方法，从根本上来说，这些问题已经为人所知了，这种知识只能在一定程度上帮助解决超出已知范圍的问题。根本的创新需要一种新思维，对工程师及其作品的研究可能最能解释和传授这种新思维。了解早期创新者是如何克服障碍和挑战的，可以让工程师和更多公众深入了解现代文明是如何演变的，以及主要创新包括哪些内容。

人类天生好奇，挑战和机遇将持续激发人们非常规的洞察力。研究突破性工程创新的历史是为了了解最深刻的技术变革是如何发生的。而真正的挑战可能是如何应对这一变化。