第三次产业革命

序 第一次产业革命发生在 18 世纪晚期的英国，在纺织业，机械取代了人工。从前须在上千间纺织工人的家庭 作坊里以手艰辛完成的工作，改在一间棉绒厂里就可完成，而「工厂」也应运而生。第二次产业革命发生 在 20 世纪早期，福特掌握了流水线生产，开启了大批量生产的时代。前两次产业革命让人类变得更富裕， 促进了城市化。眼下，一场第三次产业革命方兴未艾，制造业正经历着数码化，如本周特别所指出， 这不仅会改变怎么做生意，还会改变许多别的事物。 摘自《经济学人》2012 年 4 月 21 日社论《第三次产业革命》（wingsu 译） 1. 第三次产业革命 2. 工厂与工作：重回制造业 3. 比较优势：回力棒效应 4. 材料：与时俱进 5. 叠加工艺：立体打印 6. 层层复层层：3D 打印机的工作原理 7. 协同制造：现需要群策群力 8. 自动化生产：创造未来 《经济学人》专题报告：制造业与创新 第三次产业革命 保罗•麦基里（Paul Markillie）说，随着制造业步入数字化时代，整个领域将焕然一新。而部分制造业将重 返发达国家。 规模庞大的法兰克福展览中心（Frankfurt Messe）是无数德国贸易展的举办地。该展览中心外矗立着 一座高 21 米的动态雕像“拿铁锤的人”，正有规则地抡着锤子一上一下地敲击着一块金属。这一雕像的建造 者艺术家乔纳森·博罗夫斯基（Jonathan Borofsky）说，是为了歌颂工人们用自己的双手和大脑创造了我们 生活的这个世界。这个主题我们都很熟悉。而如今生产工具日新月异，将彻底改变制造业的未来。 欧洲模具展是在德国法兰克福举办的大型贸易展览会之一，展品包括各类制作产品原型的机器，投入 生产所需的工具以及其他五花八门的制造装备。传统的工程师成天与车床、钻头、冲压机和制模机打交道。 这些机器仍在使用，但欧洲模具展上的展品并非需要工人身穿工作服细心看管满是油污的机器。一个个展 厅里摆满了来自美国、亚洲和欧洲的吱吱作响的机械工具。它们不但一尘不染而且高度自动化。操作者不 管男女大都坐在显示屏前。不再会看到锤子的影子。 而去年 11 月份举办的上届欧洲模具展中，展出了一组新机器——3D 打印机。无须因循守旧地敲打、 弯曲及切削材料，3D 打印机通过层层叠加材料生产产品。因此这个过程还被形象的称为叠加工艺。美国一 家名为 3D 系统（3D Systems）的公司用 3D 打印机为本刊记者打印了一把锤，精致的锤柄有木纹效果，配 有一个金属般质地的锤头。 这便是未来制造业的缩影。让今天的工厂制造一把你自己设计的锤子，得花上几千美元。制造者须先 生产一个模具，浇铸好锤头，用机器抛光成相宜的光泽，削一根木制锤柄，然后再把各部分组装起来。那 样制造一把锤子当然贵得令人不敢问津。但如果要生产成千上万个，得益于规模经济，每把锤子的成本将 更大幅下降。然而，对于 3D 打印机来说，规模经济则没这么明显。3D 打印机的软件可作随意调整，几乎 能造出任何的东西。不管是单件产品的生产还是 3D 打印机容许的最大量生产，机器的设置成本都是一成 不变的。这就好比二维的办公打印机，不论是打印一个字母，还是打印许多不同的字母直至墨匣和纸张需 要更换为止，它会一直打印下去，而每个字母的打印成本不相上下。 叠加工艺仍有待完善，尚不能制造汽车或 iPhone，但它已能制造专门的汽车配件和定制的 iPhone 手 机套。尽管相对而言这一工艺仍处于起步阶段，但大多数人可能已拥有一些在 3D 打印机协助下制造的东 西。可能是一双鞋子，在大批量生产前打印出立体的设计样板。也可能是一副助听器，按照用户耳朵的形 状量身定制。还可能是一件珠宝，由 3D 打印机制造的模具浇铸而成或直接使用越来越多元化的打印材料 制造而成。 然而，叠加工艺仅是引领工厂走向未来的众多突破口之一；而传统的生产设备正变得更智能化也更灵 活。大众汽车（Volkswagen）已经制定了一项全新的生产战略——模块化横向矩阵，即 MQB （Modularer Querbaukasten）。通过化某些部件的参数，比如发动机的挂载点，德国的汽车制造商希 望能够在同一条生产线上生产所有型号的车。这一工艺今年开始实施，但随着未来十年新车型的不断推出， MQB 的发展将如日中天。最终 MQB 能让美国、欧洲和中国的工厂因地制宜，生产出当地市场所需的任何 一款汽车。 今时不同往日 由于自动化铣床在拥有视觉及其他感应系统的机器人的协助下，能自己调换工具，多角度切割原料， 还能感知故障，工厂的生产效率正得到大幅提升。日产（Nissan）位于英国桑德兰（Sunderland）的工厂 始建于 1986 年，是目前欧洲最具生产力的工厂之一。1999 年，公司 4,594 名员工生产了 271,157 辆汽车。 去年，日产仅凭借 5,462 名员工便生产了 480,485 辆汽车——高于此前英国任何一家汽车工厂的产量。 主要生产喷气式发动机及其他动力系统的英国劳斯莱斯公司，其工程技术总监科林·史密斯（Colin Smith）说：“你不可能用老掉牙的手工工具生产这些现代产品。那种大车间里人挤人的场面已经一去不复 返。” 随着直接从事生产的操作工人逐渐减少，劳动力成本在整个生产成本中的比例也将随之下降。这将鼓 励厂商将一些工作迁回发达国家，尤其是新的生产工艺使他们能更快地适应当地市场需求的变化，而且成 本更低。 那些用来制造产品的原材料也开始更新换代。例如，在小至山地车大至客机的一系列产品中，碳纤维 复合材料正逐步取代钢材和铝。而有时负责工作的不是机器，而将是通过基因工程改造后的微生物。 未来工厂中的一切事务将由更为智能化的软件进行管理。数字化将对制造业带来的颠覆性作用与其对 其他行业，如办公设备、电信、摄影、音乐、出版和影视等，产生的影响一样巨大。 而且这种影响将不会 只局限于大型制造商；确实，企业大鳄们可得要小心了，因为即将来临的变革将在很大程度上令中小企业 和个体企业家如鱼得水。推陈出新将变得更容易更低廉。 那些类似于 Facebook 的提供 3D 打印和其他生 产服务的社交团体已在网上小有气候——这种新现象也许可以称之为社会化制造。 该报告认为，所有这些变革都将成为第三次产业革命的导火索。第一次产业革命始于 18 世纪晚期的英 国，以纺织工业机械化为起点。在随后的几十年里，机器生产取代手工制作的变革如星星之火传遍整个世 界。第二次产业革命始于 20 世纪早期的美国，以 流水作业线的发明为标志，从此开创了规模化生产的时 代。 随着制造业的数字化，第三次大变革现正加快步伐。得益于新材料的应用以及诸如 3D 打印、易用机 器人和网络协作生产服务等全新工序，小批量生产变得更加划算，生产也更灵活，所需劳动力的投入也减 少了。 整个局势又转了个大圈，不再注重于规模化制造模式，而是向更加个性化的生产模式看齐。继而一 些在很久前被新兴市场夺走的生产岗位将重新回到发达国家手中。 底本：Shierzou 校审：Pandy 终稿：谁养鱼 工厂与工作 重回制造业 制造业仍举足轻重，但就业图景正在变化。 一百多年以来，美国一直是世界制造业的领头羊，但如今中国已与其并驾齐驱（见图表一）。21 世纪 的第一个十年，美国制造业就业岗位削减了约三成。离岸外包和海外建厂的兴起以及精细化供应链的发展 已使全世界的企业转向将中国、印度及其他低工资国家作为加工厂。受全球经济危机影响，一些西方政策 制定者认为是时候让国家重回制造老本行上来了，这样既可以创造就业岗位，又可以遏制生产技术的外流。 这说明了两件事：第一、制造业对一国及其经济仍是重要的；第二、制造业新兴方式将创造新工作。 已有大量研究表明制造业有利于经济发展，但近几年来，也有一些经济学家认为制造业并无特别，服 务业同样具备生产力和创新力。设计、制造及销售产品的是人和公司，而不是国家。无论在制造业还是服 务业，工作都有好坏之分。不过，据克利夫兰市凯斯西储大学的苏珊·赫尔珀（Susan Helper ）为华盛顿布 鲁金斯学会智库所做的一份报告中显示：制造业工人的平均工资的确更高些（见图表二）。 同时，制造业公司比其他行业公司更乐于引进开发新产品。虽然制造业产值只占美国 GDP 的 11%， 但是国内用于研发的资金中有 68%用于制造业。赫尔伯指出，总体而言，制造业与服务业相比，能提供更 高工资的工作岗位、是创新的重要来源、有助于减少贸易赤字、而且还能为循环利用及绿色能源等新兴“清 洁”经济产业创造机会。所有这些都是一国应重视发展制造业的理由。 尽管中国经济飞速发展，但美国仍保持着强大的生产力。麻省理工学院校长苏珊·霍克菲尔德 （Susan Hockfield）说，美国制造业的产值以美元计已经与中国基本持平，而达到这一水平所用的劳动力 仅为中国的 10%。苏珊同时兼任奥巴马总统“先进制造业合作计划（AMP）”的主席之一，AMP 是最近新创 立的一个项目，旨在联合企业与高校一同创造就业岗位、提升竞争力。 “拿铁锤的人”的形象令人怀旧，可这在发达国家已不复存在。如今大多工厂车间看上去空荡荡的，而 附近的办公大楼里聚集着设计师、IT 高手、会计、物流专家、市场专员、客户经理，甚至厨师和清洁工， 他们以不同的方式为工厂服务。而在工厂大门之外， 还有更多不同职业的人为工厂提供补给。制造业工 作的定义正变得越来越模糊。 诚然，美国生产力的大踏步前进带来一些问题， 比如究竟会创造出多少（尤其像白领岗位）这样的 制造业工作呢。现在，生产线上的技术突破正在进 一步减少对劳动工人的需求量。“如果你看看麻省 理工学院在生产技术方面产出的成果，你会发现其 中很多工作都无需坐班或者说工作量很小。” 霍 克·菲尔德女士说，“但这并不意味着已经没有理由 在美国发展制造业了，因为为这些看上去轻松的工 作流程提供资源本身就会形成一个巨大的供应链， 而这恰好提供了大量工作也创造着巨大的经济效 益。” 企业也对制造业复苏持乐观态度。通用电气 （GE，世界最大制造商之一）全球研发部高级技术 负责人迈克尔·伊德里克（Michael Idelchik）说：“我 们正处在制造业大变革的前沿。”发起这场变革的 导火线可以来自世界任何地方，因此迈克尔的实验 室虽然总部设在纽约州北部的田原乡村尼什卡纳， 但同时在班加罗尔、慕尼黑、里约热内卢、上海等 地也设有分支。就可能创造的新工作而言，伊德里 克先生认为人们目前对制造业雇佣关系所持视野 过窄：“如果你顾及到所有出力的人，那么这就是 一个容纳巨大工作量的产业。” 机器魅影 仍保留在车间内的工作岗位对人员技术水平 要求很高，劳斯莱斯生产部老总斯密斯先生表示， “谈到制造业，我们要确保培训体系中务必有这类 培训模块。”他也关心公司供应链培训体系，因为 许多国家的供应商已经在经济衰退期削减了培训 支出。为了得到公司需要的人才，劳斯莱斯已经开 办了一所新的学徒培训学校，这样每年受训的人数 翻了一番，已达到 400 人。 苏珊娜·伯杰是麻省理工学院一项新的研究项 目“创新经济生产”的项目带头人之一，她认为，美 国公司如此大幅地削减培训，将导致“学徒制安乐 死”。“创新经济生产”项目研究公司竞争方面的课题。 现在有很多公司觉得员工若离职，那么为别的公司 所进行的的人员培训就很不值。伯杰和她的同事认 为一种代替学徒制的可行方法是在社区院校与当 地企业之间建立合作关系，发展培训项目。企业可以不时向院校捐赠生产设备。 数字化的制造业可简化培训。让全天 24 小时运转的生产机器停下来供学员参观学习，对任何公司都不 现实。但是计算机可以在虚拟环境中模仿生产系统并生产产品。在英国华威大学，有一个装有多块大尺寸 高清屏的虚拟实验室，在此可进行产品研发，比如将汽车进行 3D 立体演示以供研究。 如今一辆新款汽车实际生产出来之前，都会先制作成三维“数字模型”。人们可以环绕模型观看、坐进 模型车内、甚至试驾，也可以将组件拆卸置于虚拟工厂进而制定出生产。汽车企业的其他部门也可以 使用同样的软件，包括广告部员工进行市场策划。硅谷欧特克软件公司主管格兰·特罗谢尔（Grant Rochelle） 说：现在通过数码打印出来的图样非常逼真，可在真车生产出来之前用来制作宣传册及电视广告。 工厂内大量人员所提供的服务工作对制造业来说至关重要。“将来更多的产品卖的是服务，” 华威大学 华威制造集团董事长库马·巴特查里亚（Kumar Bhattacharyya）说，“如果你卖的车有十年的质保期，你就 得确保它能用十年，而且你们能在这十年内随时提供配套的服务。”尽管失业率居高不下，但是工厂仍反映 很少有人选择当工程师和从事制造行业。巴特查里亚预言 3D 打印等新兴技术将有助于改善这种状况。“如 果你真能做出点东西，人们就会对制造产品感兴趣。然后他们就会去开办公司了。” 群集而广益 最成功的新企业孵化器之一是产业集群，而硅谷是最著名的例子，也是最被争相模仿的对象。企业聚 集在一起的理由多种多样：专业技术、集中化的专业服务以及专业投资者的风险资本金。产业集群附近通 常有大学和研究实验室，于是新点子以及将其转化为产品两者可紧密地联系在一起。新兴生产技术将使这 一联系更加紧密。伯杰说：“我们现在有技术，但是只有当我们拥有在类似领域的创新生产能力，我们才能 利用这些技术。”不出她的办公室，你就能找到这方面的例子。 波士顿的生物谷，聚集了大大小小的制药公司，很大程度上是被该地区医院及高校所开展的研究吸引 而来。诺贝尔奖得主菲利普·夏普（ Phillip Sharp）认为生物科技领域内制造能力的发展与产品开发是紧密 相连的。夏普是马萨诸塞州 Biogen Idec 生物科技公司创始人之一，公司年收入达 50 亿美元。夏普说，目 前该行业内最激动人心的课题是纳米技术，纳米即一米的十亿分之一。对材料在纳米水平下进行研究，它 们通常会具备独特特性，其中一些可加以利用来造福人类。 纳米技术使得在微观水平上生产新型治疗物成为可能，该治疗物表层携带引导信息使之导入人体特定 细胞。携带有此种物质的药物对于诸如癌症等疾病的治疗具有非常大的价值。夏普说，他们正在小批量生 产该产品，现在面临的难题是一但完成临床试验，如何进行规模生产。他还补充道，同时还要依赖产品本 身和生产创新两者的结合。 制药行业多半仍保持着传统的批次生产流程。整个流程包括从不同国家进口不同组分的原料，将原料 在化工厂合成原料药，再将原料药运至药厂生产制剂，如片剂、液体制剂或膏剂等，药厂也有可能在另外 一个国家。整个过程中要不停地搬转运输各种装药容器，同时又存有大量闲置库存，费时又费钱。 不过，在美国马塞诸塞州坎布里奇的一间实验 室里，正在开发一种新的制药方法。工作人员将原 料药放入一个满是管子、齿轮、皮带、电子元件的 机器的一端，药丸就会从另一端蹦出来。这条实验 性生产线是由瑞士诺华制药公司和麻省理工学院 联合投资建设的，它为制药行业开创了一种前卫的 连续作业的生产工艺。目前，这条生产线正在生产 “诺华标准品”，而要实现商业运作还需要 5 到 10 年。它结合了化学和工程学，将一部分过程提速， 而将另一部分减速，使之协同作业。 项目主管斯蒂芬·索芬（Stephen Sofen）说， 成果令人鼓舞。制药流程中的独立工序由原来的 22 个减少为 13 个，生产时间（即便除去原料传送时 间）也由 300 小时缩短到了 40 小时。而且，原先 要对每批原料进行检测，现在就不用了，每粒药都 是在确保药品符合质量标准的情况下进行的生产。 连续作业生产工艺将彻底改变制药行业。索芬 说：“制药公司无需再特意建造巨型工厂以满足全 球市场需求，在不同区域有几个小型工厂即可。” 特别是在流行病突发时，这样的工厂能更迅速地满 足本地需求。坎布里奇的生产线可以装入集装箱， 能够在世界任何地方进行装配。生产线可日以继夜 地不停运转，每年年产药品 1000 万粒。它还可以为特殊患者生产特定配方的药物。连续作业生产工艺可 以使更多的疾病治疗实现商业化。 翻译：Pandy 校审：谁养鱼 终稿：yanggege 比较优势 回力棒效应 随着中国劳动力成本的攀升，一些制造业重回发达国家。 30 年前，深圳不过是个毗邻香港新界的小渔村。上世纪 80 年代初，中国在这里建立了全国第一个经 济特区，此后，各式作坊如雨后春笋般涌现，绚丽的摩天大楼拔地而起。现在深圳约有 1200 万人口，其 中包括 600 万左右的外来务工人员。这些工人一般住在工厂附近的宿舍里，而正是这一座座工厂使深圳成 为中国最富裕的城市之一。 富士康城便是其中之一，隶属于台湾鸿海精密工业公司，是中国最大的制造集团之一，员工人数达 23 万。部分苹果 Iphone 手机和 iPad 都在这里组装。苹果公司在一次外部审计中发现富士康违反了多项劳动 法令，包括令工人严重超时工作，今年三月苹果公司同意改善其中国工厂的工作条件。 劳动力成本较低的国家经常会被人指责为经营血汗工厂，而中国的劳动力成本无疑是廉价的：这也正 是香港的制衣厂和玩具厂搬入内地的原因。然而，随着中国经济的繁荣，中国工人开始要求提高工资、缩 短工时、改善福利，这与曾经台湾、日本及南韩的情况如出一辄。近年来，中国劳动力成本正以每年 20% 左右的速度增长。 现在一些劳动密集型公司逐渐从沿海地区搬往内陆，尽管内陆地区的基础设施可能并不达标，但那里 的劳动力成本要更低。大批公司，尤其是服饰鞋业制造公司，已经转移阵地，将工厂迁往孟加拉国、柬埔 寨、印尼和越南。以耐克为例，耐克品牌大多数的运动鞋曾经都是中国制造，但现在它的许多大型供应商 都已经迁往别处。2010 年，越南成为耐克公司全球最大的生产基地。除非不再需要人工来制衣制鞋（有关 这一点，接下来的文章中会提到，将是完全可能实现的），否则将来这些工厂还会再一次迁移；如果发生 在缅甸的变革持续进行，那么缅甸会是很有诱惑力的目的地。 然而对于一些制造商来说，低工资成本变得没那么重要，因为在整个制作和销售产品的成本中，劳动 力成本只占很小的比例。加州大学欧文分校“个人电脑行业中心”的研究人员对 iPad 进行成本拆分， iPad 内部各个元件的来源并计算出制造、组装成本（见表 3）。研究发现一台零售价为499美元的 2010款16GiPad， 其中来自美国、日本、韩国、欧洲供应商原材料和零部件价值共计 154 美元（苹果公司在全球共有超过 150 家供应商，其中有许多是在中国进行生产或完成组装的）。研究人员估计，全球范围来说，制造一台 iPad 的全部劳动力成本为 33 美元，而中国只占其中的 8 美元。由于苹果公司不断地对产品做调整，所以这些数 据也在不停地变动，不过变动幅度并不很大。 假若中国仅占全部劳动力成本中这么小的一部分，那么苹果公司就能花得起钱在美国生产 iPad 了吗？ 事实证明，低薪资并不是中国吸引外商的唯一因素。深圳具备的最首要的资源就是它 30 年来生产电子产品 的经验。这里的工厂早已形成产业网，具备高度发展的供应链，多元化设计及工程技术，娴熟的生产工艺， 以及迅速投入规模化生产的意愿。 换句话说，深圳提供的是一个成功的工业产业群。它之所以能为苹果公司所用，是因为苹果产品中的 许多电子元件都可以直接买到。可真正的创新在于产品设计及智能软件开发，而这正是另一个产业集群—— 硅谷的所长，苹果公司正座落于此。 中国的得分点 香港利丰公司是一家为企业寻找亚洲供应商的公司，在利丰最近发布的一份研究报告中称类似深圳这 样的产业群是“构成中国制造业国际竞争力的重要组成部分”。它例数了中国 100 多个产业集群——其中提 到浙江诸暨制袿产业群。在诸暨，有超过 3000 家与制袿相关的中小型公司。因此，只要中国的这些产业 集群能够继续保持其特色优势，那么无论是 iPad 还是袿子的生产都不会迁回欧美地区。 不过还是有一些工厂正重返发达国家。随着中国劳动力成本不断上涨，美国产能的提高有利于弥补其 缺少廉价劳动力的短板，特别是当美国公司加大在自动化生产上投入时。而事实上，全球任何地方都可以 用机器人来降低劳动力成本。比如鸿海精密集团董事长郭台铭就曾经说过，他正打算用更多的机器人完成 中国的组装工作。他也在中国内陆省份建立了一些工厂。 还是那句话，将生产从中国转回美国，劳动力成本并不是厂家考虑的唯一因素。起初，千诗碧可公司 在美国市场销售的香薰蜡烛都是在中国制造运往美国的。自美国提高了中国制造的蜡烛的进口税后，公司 又改去越南生产蜡烛。2011 年 6 月，该公司在其马里兰总部附近开设了一家高度自动化的工厂，部分原因 是亚洲地区劳动力成本以及海运费用日渐上涨，但也有另外的原因：拥有一家能够进行研发的美国工厂， 有利于公司对市场新趋势做出更快的反应。 蜡烛制造商的中国工厂依旧在运转，以此来满足中国国内巨大的市场需求。许多公司都采用了这种“中 国+1”式战略，通常在亚洲生产力成本较低的国家另设生产基地。现在这个思路正延伸为将生产设备都移 回发达国家。这也有助于防范公司将所有鸡蛋都放在同一个篮子里带来的风险。近几年接连发生的自然灾 害已显示出，单一的供应链会轻而易举地毁掉一切。 对于总部在伊利诺伊州奥罗拉的皮尔勒斯公司来说，它将生产基地从中国撤回是出于知识产权保护方 面的担忧。皮尔勒斯公司制造适用于各类显示屏的金属支撑框架，小到办公室墙上或火车站上的信息显示 屏，大到音乐或体育活动中巨大的“影视墙”。皮尔勒斯公司觉察到电子屏的发展趋势是越来越薄，为了生 产出更轻盈更美观的屏幕支架，早在 2002 年，公司就决定用铝替代钢，生产一系列产品。但由于当时在 美国找不到价位合适的挤塑及浇铸公司，皮尔勒斯公司把目光转向了中国。随着平板屏幕成为市场主流， 公司销量激增——但紧接着，公司就发现其产品的仿制品已遍布全球。 据该公司的董事长迈克.坎帕纳（Mike Campagna）说，正是因为这些山寨仿冒品，让公司决定返回美 国进行生产。其他益处不期而至。当时碰巧汽车制造业步入了萧条期，公司得以低价购进所需的制造机械， 还设法找到一批有生产经验的工人。公司自 1941 年成立以来第一次负债：耗资 2000 万美元建造并装配了 一座新工厂。工厂于 2010 年开工，至此公司得以将所有部门纳入“同一屋檐下”。 “中国制造业的总成本并不像看上去的那样便宜”，坎帕纳说。海运成本越来越高，集装箱也很贵，而 且两边都需要维持运转的工作人员。另外，一旦市场风向有变，公司很难迅速做出反应。一般来说，供应 链各环节库存时间共计约 30 天：供应商运送给中国工厂的原材料库存、工厂成品库存、运往美国的海运集 装箱内的库存等等。过去，任何设计改动至少 6 个月后才能实现。现在，公司在两三周内就可将设计转化 为成品送到消费者手上。 如果经济更景气点，坎帕纳会更开心，不过他也承认，将美国产商品比例从此前的 65%提高到现在的 95%，已经使公司的生意有所改观。公司之前在美国有 250 个工人，在中国有 400 个；现在它在美国有 350 个工人，并辅助有一批机器人负责熔铝浇灌和钢材切割等高温作业或者脏活儿。坎帕纳认为，新的安排“让 我们很灵活”。这样不仅提高了定制框架的生产效率，还有利于确保产品质量。过去公司的标准产品有 10 年的产品周期，但随着新显示屏以从未有过的速度发展，现在它的支架和框架每 18 个月左右就需要更新。 决战"光硅顶" 对于那些已商业化的产品将生产迁回发达国家是否同样奏效呢？大约十年前，世界上绝大多数的太阳 能电池板还都是由欧美和日本公司制造的。后来，中国厂商在政府各种激励政策的支持下涌入该领域。目 前，使用最广的太阳能电池板中，中国已经占据了一半以上的世界市场份额，这种电池板依赖于晶体硅制 成的光伏电池。但这种情况可能再次发生变化。 部分由于来自中国的冲击，处于底层的企业从市场退出：根据市场研究公司 GTM 的调查，太阳能硅板 的价格从 2011 年初的每瓦 1.80 美元下降到年底的 90 美分。这给一些采用其他太阳能技术的企业以严重 的打击。加州的 Solyndra 公司便是其中之一，该公司是以在透明管列内涂上薄膜涂料的技术来生产太阳能 光伏板的。虽然比硅板更加昂贵，但这些透明管更高效，能全天候的从不同角度捕捉阳光。可是 Solyndra 公司无法与市场中充斥着的中国太阳能板相抗衡。该公司于去年依据美国破产法第十一章规定申请了破产 保护，不过公司收到了 5.35 亿美元的联邦贷款担保（此笔款项的获得尚有争议）。 太阳能电池板生产商正在艰难维持，他们通常是入不敷出，期望着未来实现“市电平价”时，太阳能电 池板将迎来巨大的市场。“市电平价”即太阳能发电成本将在去除补贴后与传统石化燃料发电成本相当。当 今全球最大太阳能电池板生产商中国尚德电力的老板施正荣认为，太阳板电池市场正呈现出上升的迹象， 而中国有望在未来三、四年内实现市电平价。 那么，对于欧美太阳能电池板生产商来说，会带来怎样的发展机遇呢？首先，这不是一个全或无的选 择。制造太阳能电池板时，要将硅切割成晶片以制造光伏管，光伏管相互连接后，用框架固定并用玻璃将 其覆盖。其中，在使用地将光伏管组装成电池板，可以节省运输成本，更经济。而将电池板安装在建筑物 上一直是一项本地业务，这在太阳能发电成本中所占的比重最大。目前，美国的安装费大约为每户每瓦 6.5 美元。因此，西方国家虽然从中国进口太阳能光伏管，但可以在组装环节挣上一笔。不过，据麻省理工学 院光电研究实验室负责人托尼奥·博纳西西（Tonio Buonassisi）说，由于流水线生产技术的进步，中美硅 管的生产成本将会趋向同一水平。 从公开数据可推算出：美国生产一块完整电池 板的成本要比在中国生产并运至美国西海岸的合 计成本高出约 25%。中国的成本优势大部分来自 廉价的原材料，较低的工资和资金成本。光伏研究 实验室研究员道格·鲍威尔（Doug Powell）正在对 这两个国家进行详细的生产成本分析。在将生产线 的生产优势考虑在内后，美国制造太阳能电池板的 成本将在未来十年内下降一半以上，变为每瓦 50 美分左右（见图表 4）。价位在 40-75 美分每瓦的 太阳能电池板预计可令美国实现市电平价。价格的 地区差异取决于各地不同的日照量和电力价格。 没有什么能阻止中国采纳相同的制造技术突 破，鲍威尔先生也在调查其影响。但有一点十分明 了，目前正在进行的许多生产创新势必会削弱中国 的优势。例如，新的生产技艺使用更薄的晶片，这 就减少了硅的需求量。光伏管变得更高效，生产简化将降低资金成本而自动化也将减少劳动力成本。博纳 西西说：“你只需要在各个创新领域进行一项突破，我们便可以重回市场。” 虽然 Solyndra 和其他的公司一路跌跌撞撞，但他们所使用的薄膜技术仍具吸引力。举个例子，通用电 气正在信心十足地开展这方面工作。通用电气在太阳能领域投入 6 亿美元资金，其中包括正在科罗拉多州 丹佛市附近建造的美国最大的太阳能电池板工厂。它将使用薄膜技术来制造更大、更轻的太阳能板，预计 节省约一半的安装费用。仅雇佣 350 名工作人员，通用电气每年生产的太阳能板就足以惠及 8 万户家庭。 > 翻译：wingsu > 审校：yanggege > 终稿：谁养鱼 材料 与时俱进 生产商正越来越多的采用全新的原材料。 它小到可以放在手心，就像是被打上小孔了的不起眼的金属块。然而这却是一项复杂艰难的工程。因 为它必须在 1600°C 高温高压的环境下每分钟转 12000 圈，这个温度比该金属的熔点要高出 200°C。而且 在其被更换之前，能够扭转足够长的时间，推动客机航行 2400 万千米（1500 万英里）而不损坏。劳斯·莱 斯遄达 1000（Rolls-Royce Trent 1000 ）发动机后涡轮用到的这种短叶片共有 66 片。英国公司每年生产成 百上千的这种叶片。 美国和欧洲的企业找到了出路，用高端制造模式来应对低成本生产商所带来的冲击。这就要求提供更 具创新的原材料。本文将探讨一系列有关创新项目。包括为劳斯·莱斯涡轮机叶片特制的浇注系统、碳纤维 的使用、再生塑料、新新电池技术等。 随着发展中国家经济的日益发展以及生产技术的不断成熟，飞机、喷气式引擎和高性能跑车也成为他 们想制造的产品。在某些情况下，西方企业把部分产品的生产加工外包给那些努力提高自身工业生产力的 国家，通常在这些国家下大订单的时候。但也有些东西是不能共享的，因为对保护产品竞争力来说太重要 了。 对劳斯莱斯来说，涡轮叶片是他们的核心技术之一。造就这种技术的魔法取决于对材料科学和生产技 术的深度理解之上。金属经过锻造固化之后，通常带有许多微小晶体。虽然这对于多数产品来说已经足够 坚固，但对于涡轮叶片，这是一个潜在弱点。因此，劳斯莱斯通过独一无二的系统，用一种具有连续、完 整晶体结构的镍基超合金铸造叶片。这确保了叶片不会有结构缺陷。 气流经叶片中空处从一个个精确定位的细孔穿过，这些细孔由特殊电子工艺制作而成，因为传统钻孔 技术根本达不到这样的精度。细孔使叶片表面形成一层流动的气膜，防止叶片受热熔化。而同时，叶片表 面也覆盖着耐热陶瓷涂层。制造者如此精益求精，是因为有了坚固、耐热的叶片，喷气式发动机才能更高 热度地运转，提高燃烧率，减少燃料损耗。 切勿坐以待毙，大胆奇思妙想 劳斯莱斯在英国德比开了一家生产涡轮机叶片的新厂，同样与众不同。在这里，设计师、工程师及生 产员工都在同一个屋檐下工作，而不是在好几个车间，抑或在不同的国家。劳斯莱斯认为近距离的工作关 系可以促进对彼此角色的理解，提高创造力，所以把员工们召集到一起工作。劳斯莱斯工程制造部门主任 哈米德·莫卧儿（Hamid Mughal）表示：“在接下来几年里这种模式将起决定性作用。生产技术是企业生存 的关键，而卓越的制造是未来最大的机遇之一。只有这种结合才会有不断的突破。单靠在数量上的积累不 可能做到这点。” 在通用电器公司（GE），我们同样可以找到这样的战略思考。同样生产喷气式发动机的通用，还涉足 能源、照明、铁路和保健行业。研发部主任伊德里克 （Idelchik）说：“多年以前我们就开始认识到，我们 需要将原材料研究同生产技术这两个部门合并。过去，新产品的诞生通常先通过设计，挑选材料，最后投 入生产。而现在这几个步骤是同步进行的。” 这些努力所带来的一项成果是研制出了一款新型工业用蓄电池。当初研究项目是要做一种足够坚固可 用于混合动力机车的蓄电池。这种蓄电池中的镍盐基化学物质可以提供所需的能量密度及强度。而蓄电池 在实验室正常工作是一回事，而使复杂的工艺商业化，批量生产这种蓄电池则又是另外一回事了。因此， 通用公司在办新厂前为了掌握如何将有价值的创意付诸实践，建立了产品生产线试点。在这阶段，创意有 的被淘汰，有的则一炮打响 蓄电池就是其中一个成功的创意。除了混合动力机车，该款蓄电池还适用于其他混合动力车辆，例如 起重叉车。另外，它还适用于数据中心备用能源的配套设备，也可以为偏远地区的长途通信电站（桅杆） 提供电力。通用将在尼斯卡于纳（Niskayuna）附近建立一套价值一亿美元的新设备便于研究人员随即继续 展开研发。这种蓄电池本身是由一系列标准元件组成，这些元件构成模块，相互连接在一起，可适用于不 同的要求。通用实验室能源储备系统负责人格伦·默费尔德（Glen Merfeld）透露，这个模块仅相当于铅酸 蓄电池的一半大小，而且只有其 1/4 重，它可以持续工作 20 年而不需要维修，并且可以在冰冻或是极热的 环境之下正常工作。 有一种备受通用及其他制造厂商青睐的材料即碳纤维。这种材料已经应用到一些喷气式发动机前面的 大风扇叶片中。这是一种十分柔软的原材料，但是一旦浸泡过环氧树脂，进行定型和固化后，就会像钢一 样坚硬，而重量只有钢的一半。这种强度得益于碳原子之间强有力的化学键。碳纤维可以以不同的方向排 列，工程师可根据这点特性精确地调节复合材料结构的强度和韧度。 最先大批量使用这种材料的是航空航天领域。空中客车公司（Airbus）和波音（Boeing）航空公司广 泛地使用碳纤维代替铝。除了质地轻外，碳纤维还有一个巨大的制造优势：可以一次性制造像机翼主体一 样的大部件，而无须将多块独立组件铆在一起。 聚焦全自动 坚固、轻盈以及节约劳动力的潜力等特性，使得碳 纤维材料在许多产品中特别吃香。英国一级方程式 车队迈凯轮（McLaren）是将碳纤维结构应用到 F1 赛车上的第一人。约翰·沃森（John Watson ）驾 驶着碳纤维赛车赢得了 1981 年英国大奖赛银石赛 道冠军。戏剧化的是，那年晚些时候，在蒙扎 （Monza）的一场赛车事故中约翰·沃森安然无恙的 出现在人们眼前，见证了碳纤维材料的碰撞承受能 力。几年之内，每一个 F1 车队都在开碳纤维材质 的赛车。但要是主要通过手工来组装这些车的话， 得需要 3000 个工时。 而现在，只需 4 小时就能生产出 MP4-12C 的 碳纤维底盘和车身。为与劲敌法拉利（Ferrari ）在 赛道乃至公路上一决雌雄，迈凯轮在 2011 年推出 了这款价值 27.5 万美元的跑车。 生产 MP4-12C 的 是一座崭新的一尘不染的工厂，位于伦敦西部沃金 市（Woking）迈凯轮基地的旁边。未来，该公司将 把碳纤维材料应用到了一系列的汽车生产中。迈凯 轮同奥地利一家专门从事复合材料研发的公司 ——卡博科技（Carbo Tech），联合开创的半自动 化技术将大大地加快这一进程。这项技术可将材料 压入模具中，并在压力的作用下注入环氧树脂。 像许多赛车运动中开创的新技术一样，碳纤维 的使用正在从超级跑车一点点地渗透到日常用车 的生产中。比如宝马（BMW）正在推出新型碳纤维 车身的电动及混合动力系列车型。第一批产品—— 小型都市电动汽车宝马 i3（BMW i3），将于明年 开始在莱比锡（Leipzig）新厂下线装配生产。使用 同样的蓄电池，比起笨重的钢制汽车，轻便的碳纤 维汽车能行使更多的里程数。而且在碰撞测试中也 更胜一筹。 另一种令人称奇的坚硬材料将来自于人们丢 弃的垃圾中。黄谦智（Arthur Huang）是台湾小智 研发（Miniwiz Sustainable Energy Development） 的共同创立者之一，曾在美国攻读建筑设计师专业。 他利用回收的垃圾改造成建筑材料。其发明的产品 之一，宝特砖（Polli-Brick），外形像一个四四方方 的瓶子，就是利用可再生 PET 塑料制成的，这种塑 料随处可见，广泛用于制作食品及饮料容器。由于 其形状特别，宝特砖可以在未使用任何粘合剂在情 况下扣合在一起来堆成像墙一样的结构。黄谦智透 露，这些堆起来的宝特砖相当坚固，可抵抗飓风， 而同时又能出色地达到减碳之效，其造价约有传统建筑材料的 1/4。另外，其半透明的特性，使其可在内 部嵌入 LED 灯，组合使用。 绝对优势 黄谦智的另一种材料是从米糠中萃取而来的天然粘合剂。加入这种材料可有助于凝固。严格来说，这 个点子不算新，黄谦智指出，用于建筑中国长城的砂浆中便混有类似的物质。他认为，大陆的房地产热又 能为他的产品提供一个大的市场机遇。与其相似的一种材料是从酿造所遗留的大麦壳中萃取而来。黄谦智 对这种系统的长远打算是运用到当地社会中去，变垃圾为宝。 渐渐地，产品工程将从纳米开始。纳米技术已经开始用来提高某些产品的性能。例如二氧化钛被用来 制成建筑物上的自洁玻璃。这种玻璃薄薄的仅有几纳米厚，足可以透过看清东西，而且在光能作用下有效 地去除有机污垢。它同时具有亲水性，吸收雨水形成水滴，从而洗掉污垢。英国一家名为皮尔金顿（Pilkington） 的公司于 2001 年首次用这种技术生产自洁玻璃。 麻省理工学院的实验室里还有更多使用纳米技术的未来产品。克里帕•瓦拉纳西（Kripa Varanasi）和 他的同事们正在研制防水性极强的材料。他透露道，这些材料可制成超疏水涂层，用于蒸汽涡轮机、海水 淡化等设备上，将大大提高机器的效率和寿命。这种涂料也能应用到现有的为全世界提供大部分电力的蒸 汽涡轮机。瓦拉纳西设想，这将成为一项巨大的翻新工程。 大自然早已将纳米结构的材料用到了极致。安吉·贝尔驰（Angela Belcher）正饶有兴趣地研究大约 5 亿年前的化石，当时海里的软体生物正逐步利用矿物质形成坚硬的贝壳和骨骼。贝尔驰小姐说，这些大自 然产物含有精致的纳米结构，比如鲍鱼那闪光的贝壳。她推断，如果生物能够像那样用他们的 DNA 进行生 成物质，那么就有可能效仿它。这就是她的麻省理工学院研究组通过基因工程，在努力实现的。 贝尔驰有个方案是利用病毒做成电池，这看上去可能很奇怪。那些感染细菌、对人体无害的病毒，在 基因工程方面却是极为普遍的工具。首先，贝尔驰和她的同事利用基因工程技术使病毒和他们感兴趣的物 质互动或结合。由于不能等上百来年，所以他们加速了达尔文的进化进程——一次制造十亿病毒，挑选那 些有前途的病毒并不断重复进行操作，直到得到具备所需特性的病毒。 他们已经培育出可生产电池成分的病毒，比如阴极和阳极，并制成小纽扣电池，就像手表的电池，但 该技术有望扩大规模。贝尔驰说，这项技术如此吃香，是因为成本低，使用的材料还无毒， 环保。 贝尔驰创建的两家公司已开始用病毒来生产产品了。寒武纪技术公司（Cambrios Technologies）正生 产触屏上的透明涂层，而志留纪技术公司（Siluria Technologies ）（贝尔驰喜欢用地质时代来命名她的公 司）正在用病毒研发将天然气转换成油或者塑料的催化剂。同时，这些技术还有望用于太阳能电池、医疗 诊断及癌症治疗等领域。而所有的这一切均源自一个贝壳产生的灵感。 在麻省理工学院与贝尔驰共事的格布兰德·塞尔达（Gerbrand Ceder），是一位电池专家，他觉得如今 研发材料的工艺十分冗长，必须找到一种更简便的方法。一种材料十种不同特性的信息可能分散于十个不 同的地方。为了将所有的信息集中在一处，塞尔达和他的同事们在劳伦斯伯克利国家实验室 （Lawrence Berkeley National Laboratory）的协助下，在去年年底推出了名为材料事业（Materials Project） 的网上免费服务，把各物质的特性编成目录。截止到今年 3 月，该目录收录了将近 20000 种不同化合物的 信息。 这个数据库可供科学家快速物色适合的新材料，预测它们相互间如何反应。这有望推进制造业新型材 料的发展。一些新物质要花 20 年或者更长的时间才能进入市场。 塞尔达说：“因为需要花的时间太长，人 们对该领域的投资十分谨慎。因此，我们必须加快进程。” > 翻译：wangtianlu> 审校：pandychen > 终稿：谁养鱼 叠加工艺 立体打印 3D 打印机改变了制造业的游戏规则 在美国南卡罗来纳州（South Carolina）洛基山（Rock Hill）商业园区的一幢不高的建筑中，未来工厂 的景象跃然眼前。数十台机器隆隆作响，控制室的玻璃窗后坐着两名工作人员，他们正对着电脑屏幕操控 机器。有些机器的大小和汽车相仿，有些则如微波炉大小，不过每个都留有窗口供人查看。这些机器各有 分工，有制作珠宝的，有制作电钻塑料把手的，有制作汽车仪表盘的，有制作精美的灯罩的，还有制作定 制的义肢的。甚至有一台机器正在制作自己同胞身上用得着的零部件。 这里是查克·赫尔（Chuck Hull）创建的三维系统公司（3D Systems）的总部。他在 1986 年申请专利 时将其发明的制造三维物体的系统称为“立体平版印刷”。其工作原理为：使用一束紫外线凝固一层薄薄的 液态塑胶（有点儿像墨水），并不断重复这个过程，一层层增加塑胶其他形式的 3D 打印机已面世，但全 都是运用叠加工艺一层层地把东西浇筑出来。 起初 3D 打印被认为是一种制作一次性样品的方式。但是，随着科技的不断进步，更多的东西以成品 的形式被打印出来（即广为人知的叠加工艺制造过程）。据一家专门研究该领域的公司负责人特里·沃勒斯 （Terry Wohlers）说，当前成品打印约占 3D 打印份额的 28%。他预计至 2016 年，这一比例将超过一半， 2020 年将超过 80%。但他认为永远不可能达到 100%，因为快速且廉价地打印样品仍然是 3D 打印众多用 途里重要的组成部分。 独一无二 一次性的样品制作成本有可能出奇的高，但 3D 打印机可大幅降低成本。现在许多消费品、机械零件、 鞋子和建筑模型在进一步开发前以 3D 打印的形式，供工程师，设计师和客户评估效果。任何的改动可在 几个小时后或一夜之间重新打印出来，而不用花上几周时间等着工厂把新模型制造出来。有些设计师已在 使用塑料和尼龙材料“打印”出现成的鞋和衣服。荷兰时装设计师爱丽丝·范·赫培（Iris van Herpen）则设计 出令人耳目一新的 3D 时装系列并走向 T 台。至今尚无人能打印出皮革，但科学家们正在想办法攻克这一 难关。 叠加工艺中几乎没办法以大规模生产获得经济效益，因而这一技术对于小批量生产来说是“天作之合”。 它也适用于大规模定制成品。目前成千上万的牙冠和助听器外壳就是用 3D 打印机量身定制的。 摆脱了传统工厂束缚的叠加工艺可让设计师生产出一些以前被认为制作起来太复杂而不经济的产品。 这种技术可满足审美需求，但工程师们也发现了其实际应用价值。例如，液体流经弧形通道比通过尖形拐 角时更流畅，但是用传统的方法在固体金属结构中造一个弧形通道则难于登天，而这对于 3D 打印机来说 不过是小菜一碟。3T RPD 是一家提供叠加工艺服务的英国公司，他们为赛车“打印”了一种变速箱，这种变 速箱输送液压油的内部通道很平滑，取代了用钻机钻出的直角弯道。该公司首席执行官伊恩·哈利迪 （Ian Halliday）表示，这种变速箱不仅换挡更快，而且重量减轻了 30%。基于类似原因，波音公司（Boeing） F-18 型战斗机上安装了许多诸如通风管“打印”的配件。 减轻重量是 3D“打印”出来的零部件的一大魅力。3D 打印中，物品是一层一层地浇筑上去的，这就可 能做到物尽其用地进行生产。在传统的工厂中，生产物品时需要增加侧翼和支架，以便机器能将物品搬运、 研磨、铸模等，还要提供一个平面将零部件用螺栓栓住或焊接在一起。3D 打印机有可能打印出整个物品， 从而省去了组装这一步。这种打印机甚至可以一次性制作出带有可活动部件的机器。 这会省下一大笔的原料成本。在航空航天业，金属零件常由优质的昂贵的钛固体坯加工而成。这可能 意味着 90% 的材料被砍削掉，而且这些碎屑对飞机的制造已毫无用处。 然而，钛粉可用于“打印”像飞机 门上的支架或卫星部件的东西。空客公司（Airbus）的母公司，欧洲宇航防务集团（EADS）研究人员指出， 这些“打印”出来的部件与机器制造的零件一样结实耐用，但只用去 10%的原材料。 强大的电脑软件生成极其复杂的设计，并用 3D 打印将其转变成实物，催生出一种全新的设计语言。 3D 打印出的物品常呈现出有机且天然的外观。比利时公司 Materialise 的副总裁维姆•麦启（Wim Michiels） 说：“大自然创造出了一些非常高效的设计，而模仿自然很多时候是个好主意“。这家公司使用加法工艺生 产包括医疗设备在内的一系列产品。例如，在金属植入体中注入健康的、晶格状的天然骨骼内部结构，生 产出的产品比机加工品更轻便，强度却不会有任何降低；且更易与病人自身的骨骼接合；而且能按患者的 预期设计出精确吻合的产品。去年荷兰的外科医生为一名慢性骨感染的妇女“打印”了一副全新的钛制下巴。 许多公司现正在琢磨叠加工艺对其业务的影响。有些公司十分重视科技，例如通用电器（GE）正在探 索如何将 3D 打印机应用在所有的业务操作中。该司正在酝酿中的产品为小型的超声扫描仪。此类扫描仪 供医生使用以生成人体内部的特写图像，比如说胎儿。成像操纵器的尺寸下降了，重量减轻了，成本也降 低了，但是放在人体上进行检测的传感器探针基本上仍原地踏步，而且现在该系统中最昂贵的部分就是传 感器探针。探针传送高频声音的脉冲并接收返回的信号，利用回声成像。探针内的微型压电式结构是由一 块易碎的陶瓷材料以显微机械加工工艺精心制成的。 现在通用公司已开发出一种加法制造系统用于“打印”传感器。这将大大减少产品成本，并便于开发廉 价的新型便携式扫描仪。这些扫描仪不仅适用于医学领域，也可用于检测重要的航空航天业及产业结构中 的漏洞。 跟着复制 不知这项技术能有多大作为？通用全球研发中心的埃德戚克先生（Mr Idelchik）高瞻远瞩：“总有一天 我们会“打印”出发动机。” 但是，一些制造商如通用（GE）和劳斯莱斯（Rolls-Royce）认为某种混合型打 印系统将会面世。该系统会生成形状的大致轮廓，然后被用以精加工，这样一来便节省了材料。 英国的赛宝曼科技公司（Cybaman Technologies）研制的自动化快速生产系统“复制者（Replicator）” 已十分接近这个目标。“复制者”足有大冰箱那么大，可同时用于叠加工艺和切削工艺。它使用基于激光的 沉积系统来确定一个大致形状，这一工序由机器完成。“复制者”也能够反向开发，通过数字扫描放置其内 的物体，生成所需的数据以制造出一模一样的复制品，真是名副其实。 “复制者”所使用的现代技术已经很接近科幻小说中的空间传送器。它可扫描某地物体，并告知世界另 一端的机器如何生产出复制品。举个例子来说，这意味着急需的备件能够在偏远的地方生产，而不需要运 输。这一机器也可化腐朽为神奇，即便是不能再用的零件也可以复制。通过扫描破损的物件，进行虚拟修 复之后，便可“打印”出一个全新品。尽管有些书本残缺不齐，再也无法读取，可能的情况是，会出现收集 这些不再通用的零部件资料的在线图书馆。就像电子书的兴起意味着书本大概永远不会绝版，各章节总能 被保存下来。客服修理工可能会在其货车上放置便携式 3D 打印机，五金店也或可能提供零部件打印服务。 3D 打印机在偏远地区也将起到无可估量的作用。南非约翰尼斯堡（Johannesburg）附近的瓦尔河科技 大学（Vaal University of Technol