思維決定創新

美國在1776年宣布獨立時還是一個農業社會，但現代工程很快就為社會帶來了變革。到20世紀20年代，美國憑借兩項超級創新（電力和內燃機）的發展成為工業強國。而美國20世紀20年代之后的重大工程創新講述了一系列獨特的故事。

在美國墾務局的委派下，工程師弗蘭克·韋茅斯（Frank Weymouth）一改傳統壩體設計思路，采用拱形壩而非重力壩的結構設計了胡佛大壩，在達到相同阻水效果的同時消耗了更少的建筑材料。西部不斷建起的大壩成功控制住了河流，使美國西部具備了建設現代生活的條件。在羅斯福政府的推動下，以工程師亞瑟·摩根為首的田納西河流域管理局（TVA）以此為藍本重新設計了流域內的公共工程與生活方式。汽車的普及和車載重量的提升，對美國道路設計提出了更高的要求，在聯邦政府的支持下，托馬斯·麥克唐納（Thomas MacDonald）通過“貝茨道路測試”，重新設計了道路材料成分，并主張汽車采用對路面危害更小的充氣輪胎而非傳統的實心輪胎，進一步推動了美國20世紀最偉大的基建項目——全國公路路網的建成，促進了美國向郊區文明的轉變。在城市以公路為依托于平面上擴展的同時，工程師法茲勒·汗（Fazlur Khan）設計的框架筒體系結構解決了城市建設超高層建筑的難題，這種使用更少鋼材料卻又能很好抵御風力的框架式建筑結構，使得美國城市不斷攀升的天際線成為可能。對核裂變的可控制使用成為50年代后能源領域的焦點，在美國海軍部的支持下，工程師海曼·里科弗（Hyman Rickover）創新設計了可移動式壓水核反應堆，并成功運用在第一艘核動力潛艇“鸚鵡螺”號上。飛機飛行速度的不斷刷新對發動機的功力提出了新的要求，工程師弗蘭克·惠特爾（Frank Whittle）放棄了傳統的螺旋槳發動機方案，創新地提出使用葉片式轉輪壓縮空氣進行燃燒來獲得推力的設計方案，即噴氣式發動機，使飛機飛行速度突破音速成為現實。對電路性能的進一步追求催生了對于真空管變革的需求，在軍方買家的資助下，德州儀器公司工程師杰克·圣克萊爾·基爾比（Jack St.Clair Kilby）認為晶體管和其他電路都可以由硅之類的單一材料制成，而非當時業界公認的必須摻雜其他元素，并在研究后重新設計了單片晶體管。羅伯特·諾伊斯則在基爾比“單片電路構想”的基礎上發現機器組裝和二氧化硅層封裝能讓電路設計更為小型化與平面化，集成電路由此誕生;緊接著，在集成電路的帶動下，計算機以及計算機網絡獲得了革命性進展……

這些關鍵的技術創新只是日常生活的一部分，但對大多數人而言，創造它的工程是遙遠和難以理解的。很少有人知道支撐現代生活的主要技術是如何運行的，或者是如何產生的。大多數人將技術的革命性變革歸結于科學的創新以及科學家的貢獻，而非將之與工程設計和工程師相聯系。

理解這些工程創新，需要重新認識創新在現代生活中的位置與狀態，區分工程與科學之間的差異，把握創新與社會之間的關聯與互動，并以此為起點構建對于未來的憧憬。

再識創新

常規創新和激進創新

技術創新以其對社會的工程重要性著稱，這種重要性可以從三個方面來考慮。大多數社會認為創新是對現有商品和服務的改進。這些進步經常發生，并且通常對企業的成功至關重要，但它們的重要性往往是短暫的。一種更重要的創新可以為現有產品引入新用途，或者引入對現有行業產生重大影響的新產品或新工藝。最后，有一小部分創新已經在很長一段時間內對社會產生了根本性的變革影響，例如一個多世紀前電力和機動車的發展，而導致今天數字計算的進步可能是相對激進的。

各種創新之間的差異并不是精確的，它們對現代社會都至關重要。關鍵在于，創新并不是在一個層面上持續不斷的變化。為清晰起見，我們采用航空歷史學家沃爾特·文森蒂（Walter Vincenti）對創新的兩個層次的區分。增量和中間創新可以歸類為常規創新，這類是公司和社會大部分時間都在做的創新類型。“激進”一詞描述了以更根本的方式改變工程和社會的想法。

激進創新的傳統描述是一兩個人的突破性思維，然后設計和展示原型。然而，一些激進的創新更應該被視為更大的集體努力。誠然，團隊努力并不意味著創新工作在某種程度上是非個人力量的結果。更大的群體的工作仍然是多個個體的工作的集合，個體有能力在必要時獨立思考，也有能力為一個共同目標一起努力。

工程與科學

工程和科學這兩種活動，往往被公眾視為一個整體——科學。公眾通常認為科學是新見解的源泉，而工程作為其應用，這種描述具有誤導性。從廣義上講，科學家和工程師各有一項核心競爭力：對科學家來說，是發現關于自然以及自然存在的事物的新事實;對工程師來說，是對自然不存在的事物的設計。20世紀20年代以前，現代工程的大部分根本性進步都沒有依賴于上述意義上的科學作為刺激。從那時起，科學知識一直是創新的一個更重要的要求，但工程設計洞察力仍然是技術創新的關鍵。

科學家和工程師都具有創造性，因為他們都質疑知識的界限：科學家挑戰我們對自然的理解;而工程師挑戰我們對設計能力的理解。這兩類人也將對方的工作作為自己工作的一部分加以完成。但是術語的清晰性應該被重視：當在研究自然或自然屬性的一個方面時，實際上是在做科學工作;而從事設計工作時，實際上是在做工程工作。使用“科學”一詞來指代這兩種活動，實際上模糊了設計新事物所需的獨立思考能力。

如果將工程學認為是應用科學，其中科學提供了基本的知識，工程師只是找到了使用它的應用方法，那么就不需要愛迪生所擁有的那種獨立洞察力。有些人可能將工程師的工作稱為應用科學，但是如今工程師經常利用科學知識，工程師是獨立思考并以工程需求為指導的設計師。

四個原型理念

我們將重大的創新突破分為四類：結構、機器、網絡和過程。

這些類別是根據其基本功能進行區分的。一個結構可以支撐或承受重量，并需要盡可能穩固，“結構”上的主要突破包括大型水利工程、現代化公路橋梁和高層建筑。

“機器”通過移動自身的一部分或通過移動部件來工作，例如固定式蒸汽機、鐵路機車以及汽車和飛機中使用的內燃機等原動機。

“網絡”是一個系統，它以最小的損失將某些東西從一個地方傳輸到另一個地方，電話網絡、電網、無線電和電視廣播以及使現代計算成為可能的電路都是以這種方式運行。

“過程”是一個系統，它可以將一種事物轉化或改變為另一種事物，將鐵轉化為鋼、將原油轉化為汽油以及將其他化學品轉化為有用產品的過程就是例子。

這四種思維方式推動產生了現代工程的四個最初的分支：土木、機械、電氣和化學。

今天的許多工程學校內部都劃分出了更多的系、項目和專業，許多工程理念涉及不止一個功能，例如20世紀的汽車工程整合了電力、化學燃燒、機械運動和鋼框架等功能。但是，結構、機器、網絡和過程這四個概念有助于理解最重要的創新的工作原理。

三種視角

最后一組要區分的概念包括所有工程師在進行設計之前必須回答的三個問題。首先，這個物件能不能被制造出來，它會不會是高效和安全的？這些問題通常涉及必須計算和測試的物理關系。其次，該物件能夠滿足的需求或潛在用途是什么？設計和制造的成本是多少？收益是否值得？這些問題通常以金錢來衡量，金錢將工程、經濟和政治聯系起來。最后，如果該物件實用且確實能被制作出來，那么它是否還可以有一個吸引人的設計而不會顯著增加成本？它會改善生活質量并對社會和自然環境產生可接受的影響嗎？這些問題很難通過測試和測量來回答。答案取決于設計師的審美眼光和道德判斷以及周圍社會的包容度。

這些擔憂意味著工程師有選擇的自由。任何設計都可能是達成某些目標的幾種方法之一，擁有這種自由為工程師提供了想象新可能性的空間。同時，這種自由也伴隨著作出負責任選擇的義務：有效利用材料和經濟地使用公共或私人資金，堅持較高的道德標準，改善自然環境和人類生活。社會也可以選擇如何資助和利用創新，但作為設計者，工程師負有首要責任。

如果沒有政府或私人投資者的資金支持，變革性創新就無法成功，而工人和消費者的貢獻對于實現這些創新也至關重要。社會可能會或可能不會為它們做好準備，工程師可能會也可能不會預料到它們產生的效果。這種激進的創新通常始于工程師的洞察力，他們能夠超越通常認為的可能性。

政府的作用

20世紀后期，公眾針對政府的作用形成了兩種截然不同的觀點：政府是重大創新的刺激因素還是阻礙因素？由于這場爭論是關于政府所作所為的實際記錄，筆者涉及的技術表明，政府在所有發明創新中發揮了至關重要的作用，但是政府的角色一直在改變。在電子領域，私人公司的工程師發明了晶體管和微芯片，但為了降低價格，需要聯邦政府大量采購新設備。計算機和互聯網最初是軍事項目，但需要私人投資才能發展成新的民用產業。聯邦政府和私營企業的互動方式很難與政府的兩極分化觀點相調和。

創新現在被許多人視為一個管理過程或“創新系統”的產品，它將政府、大學和企業聯結在一起進行深入研究，其中專家同行團隊具有很大的影響力。“冷戰”期間，出于國防原因，聯邦政府增加了工程和科學研究方面的支出。今天，它不僅繼續支持國家安全，而且繼續開發新技術推動民用經濟增長。

此間，我們提出了兩個關于聯邦政府支持下研究的未來發展問題。

第一個問題是，科學是否先于工程。核物理的科學發現直接激發了對核能的探索，并且科學在晶體管中發揮了至關重要的作用。但是在這兩種情況下的工程設計都來自不同且獨立的想象力和洞察力。科學原理和自然屬性的知識對于公共工程、新能源、航空航天和電子領域的突破性創新是必要的，但科學并沒有提供設計所需的洞察力。工程和科學在未來可能會越來越交織在一起，但這兩者同樣是基礎研究的基礎，而不是一個來自另一個。

第二個問題是，將創新作為一種流程來管理和維持，是否對基本的工程洞察力有益。罕見的洞察力和（或）一次性目標是創新的特征，而不是任何正常意義上的流程的一部分。一個將創新作為流程來管理的系統有一個內置的機器映象，創新被視為來源于一種裝配線。這種模式擅長產生更有限和更頻繁的技術變化。基本的洞察力可能需要一個不以過程為導向的創新概念。

未來會怎樣

美國西北大學的羅伯特·戈登（Robert Gordon）觀察到，工業革命的許多成就都是一次性事件。戈登認為社會不需要重新發明汽車，未來會有更好的創造。一個多世紀前開始的現代供水系統和衛生設施、道路和橋梁、電力和其他技術也可能在工作方式上有所改進，但在本質上不需要重新發明。戈登認為，社會最終會進入一種以技術變革更為漸進、增長更為緩慢為特征的發展模式。

雖然過去兩個世紀的發展趨勢支持戈登的論點，但也要強調這樣一個事實，即現代工程的趨勢也是將人類從不想做的工作中解放出來。工業革命用機器和無生命的能量代替了人類和動物的肌肉力量和能量。兩個世紀后，幾乎所有發達國家的人都可以從事非農業工作。如果計算提高了機器能夠可靠運行的能力，那么機器將越來越多地取代人類勞動。與此同時，它們也能將更多人從不想做的工作中解脫出來。

在舊職業中被取代的人的后代在新職業中找到工作的模式可能會繼續下去。但是現代工程的長期發展趨勢表明，有一天工作本身會成為一種選擇而不是必需品。如果有一天機器將雇用人類的需求降低到目前水平的一小部分，就像20世紀的機器減少了農業所需的人數一樣，那么這種自動化的好處似乎需要為人類共享，從那時起，工作可能會變得更加自愿。這可能是一個遙遠的前景，但如果這一前景開始重塑社會對技術及其進步的手段和目的的看法，可能會有所幫助。技術進步是通向不斷變化的需求和欲望的手段，這種觀點只有在相對意義上才是正確的。事實上，人類的基本需求和欲望可能會以更持久的方式得到滿足，它讓人類可以從事其他活動，從而賦予人類生活其他意義。

現代社會首先必須使自己與自然保持可持續的平衡。偉大的創新產生了意想不到的后果，21世紀最大的工程挑戰可能是減輕現代文明對自然環境的壓力。這種壓力對氣候產生了危險的影響，使得疾病更容易從動物傳播到人類。新的危險也可能因技術進步而出現，這些技術進步是社會在道德層面上準備好管理它們之前出現的。這種風險在使用計算機進行監控時顯而易見，同時風險也可能出現在生物工程、生物合成和人類基因組操作中。這些前景強調了工程師和科學家的責任，他們知道如何處理這些事情。盡管受制于效率和經濟需求，現代工程并不是不可避免的“最佳方法”，也不是假定的技術命令的操作。工程師和整個社會一樣，對自己作出的選擇有一定程度的自由和責任。

對大多數技術工作來說，現在需要的知識和技能水平比一個世紀前更高，但是僅靠技能無法產生富有成效的新見解。目前的工程知識和技能教授人們解決問題的方法，從根本上來說，這些問題已經為人所知了，這種知識只能在一定程度上幫助解決超出已知范圍的問題。根本的創新需要一種新思維，對工程師及其作品的研究可能最能解釋和傳授這種新思維。了解早期創新者是如何克服障礙和挑戰的，可以讓工程師和更多公眾深入了解現代文明是如何演變的，以及主要創新包括哪些內容。

人類天生好奇，挑戰和機遇將持續激發人們非常規的洞察力。研究突破性工程創新的歷史是為了了解最深刻的技術變革是如何發生的。而真正的挑戰可能是如何應對這一變化。