從制造到智造：關鍵的七大技術

蘇珊娜·伯杰

蘇珊娜· 伯杰出版：浙江教育出版社

縱觀美國經濟發展的歷史，科學技術、生產流程、商業模式的新結合總是能夠帶來生產效率的大幅提高，讓美國在工業發展中處于領導地位。我們現在已經可以看到能夠給21世紀制造業創造出一個先進生產系統的新模式。

在過去10多年間，制造業發生了很大的變化，但是今天的制造業和大規模生產時期的制造業還是非常相似的，它們基本上還是同一個系統。美國現在正站在這個系統巨變的邊緣上，美國各地的實驗室和研究中心正在推出一整套全新技術，這套新技術會完全打破原有的直線型生產安排模式。第一，美國合成新材料的能力已經上了一個新臺階，材料設計就像加工、組裝一樣，是生產過程中不可缺少的一環。人工合成材料對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越模糊，因為新出現的流程和自動化設備都是超高效率的，甚至出現了整條生產線只為一個產品設計的連續性生產過程，加工和組裝都一氣呵成。第三，最終的產品往往不僅僅是一個工藝品或者是一個小器具，而是一套把服務、軟件和產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制，把回收材料有序地運用到加工過程以及新材料合成中去。

一波新科技正在進入制造業，我們稱之為先進制造業，上面描述的種種變化只是其中的一部分。先進制造業的定義很多，其中一些把先進制造業的范圍限定在對某些科學技術的使用上，或者是規定只有使用這些科學技術生產出來的產品才能被稱為先進制造業。比如，總統科技顧問委員會在2011年6月發表了《給總統的關于確保美國在先進制造業中的領導地位的報告》，報告將先進制造業定義為：通過協調使用信息、自動化、電腦、軟件、遙感、網絡等科學技術來進行的活動;以最先進的材料學、物理學、生物科學研究成果為基礎進行的活動，比如納米科學、化學和生物學。先進制造業既包括制造現有產品的新方法，也包括從先進的新科技中發明創造出來的新產品。

先進制造業同盟（ The Advanced Manufacturing）在2012年7月的報告中也用了同樣的定義。美國國防情報學院在2012年發表了《全球先進制造業的新興潮流》，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行為而已，這個定義是這么說的：通過使用科學技術、工程技術和信息技術、高精密度的工具和方法、高效率的員工隊伍、富于創造性的商業和組織模式，先進的制造業對現有的材料、產品和流程進行優化，或者是創造出全新的材料、產品和流程。

把一個現象的界線清楚地劃分出來很有必要，PIE委員會（麻省理工學院創新經濟生產委員會）的研究人員對大學實驗室、企業和政府實驗室里孕育著的科學技術做了觀察，也觀察了創新型制造企業的實際運作模式，根據這些觀察結果，我們認為這個定義的范圍還該更廣些，不要局限于某些科技領域或者產業，而且應把著重點放在最前沿的科技變化上。我們認為先進制造業應該是一種可持續的創造能力，它能夠把實物產品和服務、軟件結合起來，創造出一代又一代的解決方案。要持續、高效、快速地生產出一代又一代的解決方案，就要越來越多地用到為特定客戶專門設計的原材料，也會越來越多地用到回收材料。先進制造業當然會存在于生物技術產業的生產制造過程中，但是它不僅存在于新興產業，像紡織這樣的老產業也會發現它的蹤影。先進制造技術是在創新系統和工業生產系統的交界處孕育出來的。這就有點像圖中描述的前饋和反饋系統。

在瀏覽了麻省理工學院內部研究成果、美國大學制造業相關課程的調查以及相關文獻之后，我們發現了一系列能夠提高生產力和生產效率的制造業新技術，這些新技術還能夠加快創新投放市場的速度。我們從收集到的數據里，找到了科學技術給制造業創造的三大機會，這些機會很可能在未來5年就變成現實。

第一，新技術能夠催生現在還沒有的新產品。這類新技術包括非晶半導體、可穿戴電子產品、以生物學為基礎而研制出來的藥品和燃料、有推動性能的微型衛星。這些領域的很多新技術都可能創造出新的商機甚至新的產業，這些產業會帶來巨大的新需求，創造出大量的經濟活動。問題的關鍵在于，這些產業能否帶來足夠的價值和興趣，經過一段時間后和現有產品在市場上共或者取代一部分現有產品。

創新制造業交界處的位置

第二，程序化的生產制造流程有機會得到大發展，因為它不需要資本密集的儀器和固定裝置。其中一個大潮流是3D打印技術和無掩膜光刻納米技術將會大大降低對昂貴的定制生產器材的需求。這些新技術讓生產過程變得更靈活了，但是它們必須克服幾個難題：用這些技術生產出來的產品能夠保證達到指定的精確度嗎？它們能夠促進分布式制造的發展嗎？分布式制造就是把產品拿到靠近最終客戶的小型生產設施里去生產，這些生產設施不是為生產某一種產品而專門建立的，而是可以根據要生產產品的不同，因地制宜地隨時進行靈活地調整的。

第三，新技術也為現存的大規模生產流程提供了新的機會，在新技術的幫助下，現存的生產流程可以提高生產力，更加靈活地進行生產。像射頻識別術等科技可以在生產和銷售過程中跟蹤零部件;機器人和人一起合作雖然不是顛覆行業的創新，但是可以在現存的制造業價值鏈上提高效率和生產力。如果美國將上面提到的科學技術開發出來，那么關鍵的問題就變成了，能不能在美國工業界眾多的參與者中，找到足夠多的企業采納這些新技術？

我們再對收集到的數據做了更詳細的研究，發現可以把這些數據歸納為7大技術類型：

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和微米級進行重新合成和排列。這些材料既包括無機的金屬和復合物，也包括生物材料和復雜的聚合物。這些技術不單對材料的自然形態進行了修改而且它們創造來的合成材料在自然界根本就不存在。我們為此舉辦了美國制造業計劃調查，得到的回復表明，大面積的石墨烯生產、軟材料制造、半導體的3D集成電路、納米纖維復合材料、表面納米蝕刻法最有可能進入大規模生產，而且前途無量。

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

3.機器人和適應性自動化：這類技術主要是在生產制造過程中對機器人和自動化儀器的智能化運用。這些技術會應用在生產過程中，尤其是在對精密度要求非常高、工作任務需要重復進行且很容易標準化的時候，以及需要用到很大的力量和扭矩的時候取代人工操作，或者對人工操作進行補充的時候。在這類技術中，很多人在積極地研究如何進行人和機器人團隊的編排和重組，如何在他們之間建立自動適應能力。智能自動化、在產品和流程中嵌入感應器、可重構的機器人、無線實時感應、對遙控機器人和遙控操作進行網絡化控制都屬于這類技術范疇。我們還可以將這種機器人和自動化設備智能化，也就是在這些系統中植入具有各種功能的感應器，讓這些感應器不斷地把生產、銷售過程以及整個產品生命周期的每一階段的表現都反饋給評估儀器。這種不斷的反饋可以讓我們改善產品設計、優化產品，讓產品在整個生命周期中性能更好。

4.下一代電子產品：以硅基為基礎的半導體可能在2020年就到達物質形態和經濟效益的盡頭了。現在還在研發中的下一代電子產品以其他材料為基礎，比如說以鎵砷化合物為基礎的半導體，用無掩膜光刻來打印電路，這些新技術就不再需要昂貴的模具，并可用于進行有機或者是伸展性很強的半導體基板開發。我們發現大家都在積極探索的領域有紫外線納米光刻技術、配有感應和控制系統的多功能儀器、新電腦界面、無線工廠等。

5.藥品的持續性生產以及生物制造：醫藥界正在努力減少小分子藥物化工生產，同時給保留下來的生產過程提供更多靈活性，并對這些過程進行實時監控和管理。這樣的做法不但能夠提高“拳頭產品”的生產效率，還可以給產量很小的所謂“孤兒藥品”提供有經濟效益的生產機會。同時進行的研究還有把細胞和細菌變成程序化的“工廠”，可以隨時生產出根據病人的特別要求而專門設計的蛋白質和復合物。藥品生產和生物生產都屬于這類技術。例如，麻省理工學院化學工程系的伯恩哈特？特勞特（ Bernhardt Trout）和他的同事們正在為藥品生產來至開發一個持續性的生產流程。其他研究方向有以干細胞為基礎的生產、人體器官工程和制造、人體組織生產等。

6.供應鏈和物流的設計和管理：研究中發現的第6類新技術要解決的問題是，如何在多層次的供應鏈中組織、管理一個龐大而分散的供應商網絡。產品分銷系統創新可以大大地提高這方面的效率。降低本國銷售成本之后，對把生產制造流程設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有標準技術和信息技術兩類，演算法、數據庫管理技術等技術可以對幾百萬個正在工廠、物流中心和零售店之間流動的商品進行管理和跟蹤。把互聯網和射頻識別技術、識別碼技術等其他技術結合起來，就能夠對商品和零部件進行實時跟蹤，這方面的發展也很迅猛。這些技術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品。

7.綠色和可持續制造業：有些原材料變得越來越稀缺，像稀土等原材料雖然不稀缺卻有買不到的可能，這就使得提高生產制造效率、保證生產制造流程可持續進行變得更加重要。運輸費用不斷提高、新的環保監管條例更加產格，在這些因素的推動下，制造業的可持續性發展變得更加迫切。這方面的研究重點是如何通過對原材料的重復使用、再制造和回收利用來堵上材料循環的漏洞，以及如何在生產過程中達到能源消耗最小化。光伏產業、聚光太陽能和電池儲存方面的研究都非常重要，也正在大量進行。