關於智能製造、工業4.0、網絡-物理系統以及與未來製造相關的不少主題，前人的研究已經取得了大量的成果。本文旨在為讀者提供一個新的視角，去討論其他較少被人所關注的，卻對未來製造業至關重要的話題，如混合製造系統，先進製造基本構成元素。
一、重新定義製造業
製造業對國民經濟的貢獻深遠而廣泛。它的貢獻包括國內生產總值（gross domestic product，GDP）、出口、高薪工作、有意義的投資回報以及製造業創新與STEM（科學、技術、工程、數學）教育及國家安全等領域之間的共生關係。因此，我們急迫地需要讓政策制定者和公眾瞭解先進製造業對於經濟、社會和國家經濟結構等的影響。但是，提高公眾意識並獲得政策制定者的支持並不是一件易事。我們面臨的主要挑戰是製造業留給大多數人以“完全過時”的印象。在公眾眼中，今天的製造業仍與過去低科技含量的工廠和車間別無二致。
所以我們的第一項重大任務是（重新）定義未來製造業。我們的目標是：①讓公眾瞭解製造業如何影響我們的經濟和社會；②獲得決策者的明確支持。這項任務的主要障礙是新穎的製造工藝、創新的材料和顛覆性的商業模式對現有的基礎認知帶來的衝擊。
在創新材料方面，一個極佳的例子是細胞製造。10年前，除了專業人士外很少有人知道細胞治療方法。但如今由於其臨床效果及其對社會、經濟的影響，它正迅速成長為被廣泛應用的醫療模式。例如，由佐治亞理工學院（Georgia Institute of Technology，Georgia Tech）所領銜的全國細胞製造聯盟（National Cell Manufacturing Consortium）繪製了一張關於細胞製造的行業發展藍圖。隨著細胞治療被用於心血管疾病、癌症、神經疾病和炎症，細胞開發和培養將無處不在。細胞製造也將從一個目前少有人知的產業變成未來製造業的重要組成部分。然而在這麼一個新興的製造領域裡，我們遇到了很多用傳統定義無法清楚界定的概念。例如，在用細胞製造單克隆抗體的過程中，既包括了提取具指定抗原免疫力的小鼠脾細胞的步驟，又包括了將這些細胞與骨髓瘤細胞融合，生產新細胞的步驟。如果我們仍然遵循傳統制造業的定義，那麼應當把處在生產過程中的細胞材料看作製造的原料還是產品本身呢？
在加工工藝方面，隨著材料選擇的拓廣、材料性能的優化、材料效率和質量的提高，增材製造（3D打印）作為一種“直接生產”工藝正在獲得廣泛認可。然而，增材製造不應僅僅被視為一種製造過程。除了改變產品的製造方式外，增材製造還會改變產品的運輸方式（即其對於供應鏈和物流的影響）和產品的設計方式（如拓撲優化或部件合併等）。
GE90噴氣發動機燃油噴嘴即是增材製造應用於零件加固領域的一個眾所周知的成功案例。通過增材製造工藝，燃料噴嘴不僅將舊有設計的所有20個部件合併為一個單元，而且重量減輕了25％，強度增加了5倍。該噴嘴的最終性能遠遠超出了團隊一開始的預期。增材製造使單位成本對生產批量的敏感性大大降低。人們得以將單位成本與生產規模兩個因素分離考量，解決了這一自制造業行業誕生以來持續困擾製造商的難題。因此，在未來的某一天，零件將能以幾個甚至一個為一批地進行生產，也能隨時隨地以合理的成本進行生產。這種不受時間空間侷限，單個產品為生產單位再集成的概念將改變許多現有的商業模式，刺激更新、更先進商業模式的誕生。
就商業模式而言，製造業服務正成為定義產品價值的核心驅動力。在下述案例中，製造引領了價值的創造，而技術使其成為可能。許多製造公司已經意識到，製造和服務正在融合，因為我們的經濟已經從最初單純的一次性交易轉向了公司與客戶的持續互動。那些通過智能傳感器和通信技術實現的服務非常先進而且高利潤。它們正逐漸成為許多製造商商業模式中不可獲取的重要環節。製造-服務混合型的商業模式正在取得噴薄式的成功。
例如，勞斯萊斯公司（Rolls-Royce）在其噴氣發動機中安裝了傳感器，對發動機運行進行性能監控和問題檢測。所以，該公司並沒有傳統地讓客戶直接購買發動機，而是收取發動機維護費盈利。這就是產品至服務的轉變。又例如，百保力公司（Babolat）在其生產的網球拍中加入傳感器。伴隨著用戶的擊球，傳感器收集各種數據。因為這些數據，百保力公司可以準確分析球員的相關情況，隨後便順利成章地開始提供教練服務獲得盈利。再如，約翰迪爾公司（John Deere） 的某些設備可以收發天氣及土壤條件的相關數據，以便向客戶提供關於播種時間和地點的建議。這些都是製造-服務混合型商業模式很好的案例。
二、混合製造
大約30年前，創新帶來的機器人熱潮迅速席捲各大工廠。當時許多人預測，10年內，所有工廠都將充滿機器人，不會有人工操作員了。但幾十年過去，工廠仍需要人工操作員，並且這種情況在可預見的未來不會發生變化。幾年前，人們又預測增材製造將取代所有加工工藝。但如今我們有充足的理由相信這種情況也不會發生。
未來的工廠將是機器人和人類的混合體、增材與減材製造的混合體、複合材料與金屬的混合體、數字過程和模擬過程的混合體、網絡系統和物理系統的混合體、在納米和宏觀的多尺度上由諸多元素構成的綜合體。機器人不會完全取代人類，就像增材製造也不會完全取代減材製造一樣。然而，他們將協同工作以實現責任的合理分配。所以，研究某單一系統固然重要，但同等甚至更為重要的是對於不同系統之間交互方法的研究；以及對於系統之間技術平衡和財務平衡的研究，即人機之間的交互、增材製造與減材製造之間的交互、複合材料及金屬使用的交互等。為保障高效運行，執行標準對於由多個子系統混合組成的綜合系統至關重要。三、未來製造業企業的基本構成元素
歷次工業革命都至少歷時了80年的時間才最終完成。所以如今，準確地對工業4.0做出定義還為時尚早。然而，根據我們目前之所見，我們有理由推測，未來的成功製造業企業將包括以下七大重要基本構成元素。
（1）數字孿生體（digital twins）與數字線程（digital threads）。 數字孿生體與數字線程的概念最早由美國國防部提出。現如今，其應用範圍已遠遠不限於最初的開發部門。數字孿生是指物理實體或物理流程的數字化鏡像。它提供有關物理實體或流程的獨特信息，如設計規範、工程模型、成品數據、運營數據。而數字線程則是一個能夠提供全方位物理實物聯網和信息交互的數據基礎框架。它能夠提供整個製造生命週期內所有數據的組合視圖。準時制生產方式是指製造過程通過“在正確的時間將正確的組件送到正確的地方”得以實現。與之類似，數字線程的概念是指在正確的時間將正確的信息傳遞到正確的地方。
（2）全供應鏈的透明度與可視性。系統工程的概念已被我們所廣泛接受。它超越了對生產中心或配送中心進行獨立優化的概念，倡導優化整個供應鏈或整個供應基礎網絡。通過物聯網（Internet of Thing，IoT）和數字線程技術，我們向整個供應鏈的透明和可視邁進了一大步。
（3）混合製造。如前文論述，製造業的未來將基於混合系統的嵌入式體系而構建。
（4）創新材料。我們可以在很大程度上由製造必要工具的新材料之名，來定義人類文明的主要時期，如石器時代、青銅時代、鐵器時代等。材料的創新仍將是科學、技術和經濟政策領域的重要議題。製造業與材料是不可分割的。材料為製造提供了原材料，而製造則為原材增加了價值。據報道，從實驗室階段到成熟的商業化應用階段，一個新材料平均需要經歷20~25年。為了加速這個研究/開發/應用過程，我們必須從多角度儘快謹慎地完成基礎設施的建構，包括先進製造以及綜合計算材料工程等。
（5）高級計量學。作為一般的經驗法則，計量的準確度往往比人們的估計值高一個數量級。隨著納米加工成為某些領域的常規技術，行業對於更先進的計量的需求將相應增加。
（6）適應智能製造的熟練勞動力。熟練製造業勞動力的匱乏可能是全球範圍新一代智能製造業所面臨的最大威脅。這種短缺至少來自於兩個方面。首先，能夠上崗的具有智能製造必需技術的人才缺失。也就是說，能勝任未來製造業的勞動力數量和質量均遠遠不足。僅在美國，到2030年為止，將會有350萬的製造業人才缺口。其次，儘管我們認為學徒制是培養熟練勞動力的好方法，但大多數學徒項目幾乎無法實現規模化。
（7）新商業模式的出現，譬如對於製造業及高端服務的融合。正如前文所述，我們觀察到製造與服務相融合這一趨勢於許多行業之中方興未艾。
轉自丨《中國工程院院刊》2018年第6期
作者丨Ben Wang
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