文/王飛躍

中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所 北京 100190

1 引言

源自快速成型和快速制造,以3D打印技術(shù)為核心手段的加式制造（Additive Manufacturing），被許多人認(rèn)為是一項(xiàng)將要改變世界的“破壞性”新技術(shù)，已引起全球性的關(guān)注。2012年3月，英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志以“第三次工業(yè)革命”為主題，宣稱3D打印技術(shù)即將引發(fā)新一輪的“工業(yè)革命”浪潮，并認(rèn)為生產(chǎn)制造將從大型、復(fù)雜、昂貴的傳統(tǒng)工業(yè)過(guò)程中分離出來(lái)，凡是能接上電源的任何計(jì)算機(jī)都能夠成為靈巧的生產(chǎn)工廠；人類將以新的方式合作進(jìn)行生產(chǎn)制造，制造過(guò)程與管理模式將發(fā)生深刻變革，目前的制造格局必將被打破，“未來(lái)的制造業(yè)將再次回流到先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家”。

在過(guò)去的幾個(gè)月，包括《紐約時(shí)報(bào)》在內(nèi)的多家美國(guó)媒體持續(xù)就3D打印技術(shù)的新進(jìn)展及應(yīng)用進(jìn)行報(bào)道，以詳實(shí)的案例為佐證，直白地宣稱“天將變了”，“美國(guó)制造，出口中國(guó)”的新時(shí)代即將來(lái)臨！眾多由年輕創(chuàng)業(yè)者發(fā)起且具有鮮明創(chuàng)意的加式制造企業(yè)，落戶于以虛擬經(jīng)濟(jì)著稱的紐約曼哈頓城區(qū)。2008年該地引發(fā)了世界性的經(jīng)濟(jì)大滑坡，然而，這些企業(yè)仍保持快速發(fā)展，拉動(dòng)了蕭條的經(jīng)濟(jì)。據(jù)美國(guó)商務(wù)部國(guó)際貿(mào)易管理局最近發(fā)布的報(bào)告，紐約城區(qū)2011年的出口額居全美之冠，從2010年的850億美元上升到2011年的1050億美元，創(chuàng)歷史新高。

目前，我國(guó)在高精小型3D打印機(jī)的生產(chǎn)方面幾乎是空白，僅有幾家海外產(chǎn)品的代理。如何應(yīng)對(duì)這一局面，是我國(guó)制造業(yè)乃至整個(gè)國(guó)家層面必須認(rèn)真考慮的重大問(wèn)題。近期有關(guān)部門(mén)已加大了對(duì)一些特定領(lǐng)域的快速成型與制造技術(shù)的支持力度；對(duì)于3D打印與加式制造，許多部門(mén)和企業(yè)亦表現(xiàn)出了極大興趣。

我們認(rèn)為：快速成型和3D打印機(jī)是加式制造行業(yè)的重要組成部分，正如計(jì)算機(jī)之于信息行業(yè)。以信息行業(yè)的發(fā)展歷程來(lái)講，快速成型相當(dāng)于20世紀(jì)60年代的專用和大型計(jì)算機(jī)，而3D打印機(jī)則是20世紀(jì)70年代的個(gè)人PC和蘋(píng)果臺(tái)型計(jì)算機(jī)。令人擔(dān)心的是，我們?cè)诩邮街圃爝@一領(lǐng)域目前所處的地位，差不多就是半個(gè)世紀(jì)前我們?cè)谑澜缧畔⑿袠I(yè)所處的地位！

顯然，我們必須盡快補(bǔ)上快速成型和3D打印機(jī)這一課，但我們切不可忘記信息行業(yè)在個(gè)人計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之后浪潮般的發(fā)展進(jìn)程：Microsoft的快速崛起，隨之而來(lái)的Oracle、Yahoo、Amazon、eBay、Google、Facebook、Twitter，國(guó)內(nèi)的百度、阿里巴巴、QQ和微博等等。以目前加式制造的發(fā)展情況判斷，3D打印機(jī)之后，必將是社會(huì)制造的迅猛發(fā)展。社會(huì)制造對(duì)加式制造行業(yè)而言，就是信息行業(yè)從Microsoft至Amazon再到Google和Twitter的一體化合成，可視為虛擬網(wǎng)絡(luò)世界與真實(shí)物理世界的首次完美結(jié)合。因此，在關(guān)于快速成型和3D打印機(jī)之大量媒體渲染的背后，社會(huì)制造才應(yīng)當(dāng)是我們關(guān)注的要點(diǎn)，否則，我們可能將錯(cuò)失良機(jī)，一誤再誤，代價(jià)難以估量。

在社會(huì)制造的環(huán)境中，消費(fèi)者與企業(yè)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)世界能夠隨時(shí)隨地參加到生產(chǎn)流程之中，社會(huì)需求與社會(huì)生產(chǎn)能力將實(shí)時(shí)有效地結(jié)合在一起，“想法到產(chǎn)品（Mind to Product）”，“需求就是搜索，搜索就是制造，制造就是消費(fèi)”將成為現(xiàn)實(shí)。因此，社會(huì)制造必將極大地刺激社會(huì)需求，同時(shí)有效地提升整個(gè)社會(huì)的參與程度，其直接結(jié)果就是社會(huì)就業(yè)率的大幅度提高。一言蔽之，社會(huì)制造對(duì)于提高我國(guó)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力、加速產(chǎn)業(yè)升級(jí)和轉(zhuǎn)型、擴(kuò)大社會(huì)內(nèi)需、繁榮國(guó)家經(jīng)濟(jì)，具有至關(guān)重要的戰(zhàn)略意義。

加速發(fā)展社會(huì)制造產(chǎn)業(yè)，不但能夠解除我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)在模具和材料工業(yè)落后受制于人的不利局面，還可使我國(guó)蓬勃發(fā)展的社會(huì)媒體和網(wǎng)絡(luò)文化得到進(jìn)一步的升華，使其成為促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)科學(xué)發(fā)展的有力工具：從被動(dòng)到主動(dòng)，從消極到積極。在這方面，社會(huì)計(jì)算研究將發(fā)揮關(guān)鍵性的作用，從專注社會(huì)輿情分析到滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求，為社會(huì)制造的發(fā)展與成功提供有力保障。

2 從減式制造到加式制造：歷史與現(xiàn)狀

加式制造是相對(duì)于減式制造而言的，二者過(guò)去都不是嚴(yán)格意義下的制造專業(yè)術(shù)語(yǔ)。所謂減式制造，即通過(guò)模具、車銑等機(jī)械加工技術(shù)與工具將原材料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品的工藝過(guò)程與設(shè)備的總稱，其特征為利用縮削、減少材料來(lái)生產(chǎn)部件。自古以來(lái)，減式制造就是人類生產(chǎn)的主要方式，更是現(xiàn)代制造工業(yè)的基礎(chǔ)。

近10年來(lái)，隨著快速成型、快速制造、3D打印等技術(shù)的成熟與普及，加式制造已成為日益風(fēng)行的制造專業(yè)術(shù)語(yǔ)。在很多文獻(xiàn)中，將加式制造等同于3D打印技術(shù)；但實(shí)際上3D打印只是實(shí)現(xiàn)加式制造的一種方式。加式制造的主要特征就是利用逐層增加材料的方式生產(chǎn)各種產(chǎn)品，無(wú)需模具，因此也被稱為無(wú)形制造技術(shù)（簡(jiǎn)稱FF或FFF）。

2009年，美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)成立了加式制造標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（ASTM F-42），開(kāi)始制定標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)并研發(fā)相應(yīng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在該委員會(huì)頒布的第一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)（F2792-10）中，加式制造被簡(jiǎn)潔地定義為：

“基于3-D模型數(shù)據(jù)，通常采用與減式制造技術(shù)相反的逐層疊加的方式，結(jié)合材料來(lái)生產(chǎn)物品的過(guò)程。”實(shí)際上，加式制造的思想也是自古有之。從遠(yuǎn)古時(shí)期至今，房舍樓宇的構(gòu)建技術(shù)始終體現(xiàn)了加式制造的思想。工業(yè)時(shí)代早期，就有許多加式制造的技術(shù)和專利出現(xiàn)。根據(jù)美國(guó)學(xué)者所查出的世界上相關(guān)加式制造專利和技術(shù)，圖1展示了加式制造的早期發(fā)展歷史。由此圖可以看出，現(xiàn)代的加式制造有兩個(gè)源頭：照相雕塑（Photosculpture）技術(shù)和地貌成形（Topography）技術(shù)，分別始于1860年法國(guó)人Willeme的多照相機(jī)實(shí)體雕塑專利和1890年美國(guó)人Blanther的分層應(yīng)急地貌圖專利（圖2）。我們認(rèn)為，照相雕塑更接近從3-D模型數(shù)據(jù)產(chǎn)生物體的過(guò)程，因此更能體現(xiàn)加式制造的思想。特別是1951年Munz的專利，十分清楚地展示了現(xiàn)代立體印刷（Stereolithography）的特征（圖2c）。

圖1 加式制造的早期技術(shù)年史

現(xiàn)代加式制造技術(shù)直接起步于1968年Swainson的專利、1972年Ciraud的專利和1979年Housholder的專利（圖3），開(kāi)創(chuàng)了激光三維聚合成形、直接粉末沉積和粉末激光燒結(jié)等加式制造技術(shù)。一般認(rèn)為，1972年德國(guó)人Ciraud提出的利用激光能量光束進(jìn)行粉末沉積，實(shí)現(xiàn)分層疊加成形的技術(shù)，是世界上第一個(gè)成功的現(xiàn)代加式制造過(guò)程。從20世紀(jì)80年代起，各種各樣的加式制造技術(shù)大量出現(xiàn)，并在許多領(lǐng)域里進(jìn)行了創(chuàng)造性的應(yīng)用，形成今天的加式制造，特別是3D打印技術(shù)的新局面。

根據(jù)2009年美國(guó)的Wohler報(bào)告，2008年全球加式制造市場(chǎng)規(guī)模約為12億美元。至2011年，這一市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)25億美元，其中設(shè)備和材料的直接銷售為5億美元，在賣出的加式制造機(jī)器中，90%為生產(chǎn)基于聚合物的部件和模型的3D打印機(jī)。

文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)都表明，加式制造已從早期快速成型發(fā)展成為具有廣泛應(yīng)用前景的新型制造技術(shù)，而且被許多專家認(rèn)為是一種革命性的制造技術(shù)。目前，加式制造已在武器裝備、空間系統(tǒng)、飛機(jī)部件、醫(yī)用器件、電子電路以及家用電器及裝飾，甚至服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域發(fā)揮了十分顯著的作用，成為高附加值產(chǎn)品的核心制造技術(shù)。因此，加式制造對(duì)于時(shí)下的產(chǎn)業(yè)升級(jí)和世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，至關(guān)重要！

3 3D打印技術(shù)的應(yīng)用、挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)

圖2 加式制造的源起專利(a)Willeme專利，(b)Blanther專利，(c)Munz專利

圖3 現(xiàn)代加式制造的起步：(a)Swainson的光化學(xué)SFF系統(tǒng)，(b)Ciraud的粉末沉積SFF過(guò)程，(c)Housholder的粉末燒結(jié)SFF過(guò)程及初始產(chǎn)品

毫無(wú)疑問(wèn)，目前3D打印是加式制造的主體和研發(fā)應(yīng)用的前沿，這也是為什么多數(shù)專業(yè)與非專業(yè)的討論中都把3D打印與加式制造技術(shù)等同的原因所在。然而，無(wú)論是從邏輯角度還是從手段而言，都應(yīng)把3D打印看成是實(shí)現(xiàn)加式制造的一種途徑，特別是加式制造本身與納米制造和未來(lái)的原子制造有著更深刻的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，因此也有更長(zhǎng)的發(fā)展階段和更大的發(fā)展空間（圖4）。不過(guò)，在未來(lái)的10年甚至20年里，我們幾乎可以把3D打印與加式制造等而視之。

表1給出了美國(guó)科技政策研究所就3D打印技術(shù)按過(guò)程、主要廠商、所用材料和典型市場(chǎng)進(jìn)行的初步調(diào)查結(jié)果。一般而言，對(duì)3D打印過(guò)程和設(shè)備的分類主要是根據(jù)下列特性：

所使用的材料；制造部件的速度；生產(chǎn)部件的精度和表面質(zhì)量；生產(chǎn)部件的材料特性；機(jī)器和材料的成本；與操作復(fù)雜性相關(guān)的安全性和可適性；其他性能如多顏色、易回收等。

目前，3D打印主要應(yīng)用于小批量生產(chǎn)以及小尺寸、高價(jià)值、高復(fù)雜度和高難度部件等的制造，從而消除制造過(guò)程對(duì)部件模具和機(jī)器工具的需求，實(shí)現(xiàn)降低成本、縮短工期的目的。3D打印的市場(chǎng)可粗分為原型制造、工具制造、直接部件制造和部件維修等。

目前，3D打印仍面臨著許多技術(shù)上的挑戰(zhàn)，美國(guó)2011年的Wohlers報(bào)告和IDA綜述將主要問(wèn)題歸納為以下7個(gè)方面：材料的刻畫(huà)；材料的研制；過(guò)程控制問(wèn)題；過(guò)程的建模與分析；機(jī)器的驗(yàn)證與標(biāo)準(zhǔn)；機(jī)器的模塊化構(gòu)造與組合；設(shè)計(jì)工具與軟件。

圖4 3D打印與加式制造

表1 3D打印技術(shù)類型與屬性

除對(duì)這些技術(shù)上的挑戰(zhàn)之外，歐美日等國(guó)還興起了許多綜合性的研發(fā)課題與方向。如：能源和電子器件；奇特結(jié)構(gòu)；輕質(zhì)結(jié)構(gòu)與部件；三維掃描成像；生物醫(yī)學(xué)打印技術(shù)；環(huán)境影響與沖擊。

盡管美國(guó)在3D打印的整體技術(shù)上領(lǐng)先全球，但在基礎(chǔ)研究設(shè)施、研發(fā)組織和政府支持上，歐盟明顯領(lǐng)先。首先，歐盟在政府研發(fā)方面的投入要大于美國(guó)（不計(jì)不公開(kāi)的國(guó)防軍事投入），著名的大型合作項(xiàng)目包括英國(guó)的加式制造創(chuàng)新中心、歐盟第六框架項(xiàng)目大航空航天組件快速生產(chǎn)Rapolac（Rapid Production of Large Aerospace Components），全程專注航空航天的SMD（Shaped Metal Deposition）技術(shù)等。其次，歐洲工業(yè)界也主動(dòng)組織形成3D打印產(chǎn)業(yè)群，開(kāi)發(fā)加式制造的市場(chǎng)。一度形成原始創(chuàng)新技術(shù)源于美國(guó)，但其后的研發(fā)和應(yīng)用及商業(yè)化卻是由歐盟等國(guó)家完成的局面。

近年來(lái)，美國(guó)明顯加大加快了對(duì)3D打印技術(shù)研發(fā)的組織力度，但仍是以企業(yè)和大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)等半政府半民間的組織為主導(dǎo)力量。2009年，以美國(guó)相關(guān)大學(xué)為主的“加式制造路線（RAM）研討會(huì)”就未來(lái)5—10年的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了廣泛的討論，并發(fā)表了較有影響的路線圖研討報(bào)告。根據(jù)這一報(bào)告的建議，由愛(ài)迪生焊接研究所（EWI）牽頭于2010年成立“加式制造共同體AMC（Additive Manufacturing Consortium）”，試圖將相關(guān)的制造商與供應(yīng)商同大學(xué)與研究機(jī)構(gòu)聯(lián)結(jié)成為一個(gè)互動(dòng)良性促進(jìn)發(fā)展的生態(tài)組織，共同解決3D打印技術(shù)中還存在著的大量問(wèn)題。AMC目前已有30余家企業(yè)、研究所、大學(xué)、軍方和政府等機(jī)構(gòu)成員，以金屬材料的加式制造技術(shù)為主，每季度活動(dòng)一次。目前，AMC整合EWI及其成員的設(shè)備、技術(shù)和專業(yè)知識(shí)，初步構(gòu)成了一個(gè)分布式、網(wǎng)絡(luò)化的加式制造“國(guó)家實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中心NTBC（National Test Bed Center）”。AMC和NTBC的使命就是提高3D打印加式制造技術(shù)的成熟度，促進(jìn)相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)投資，在全美范圍內(nèi)將這一新興的制造方式早日轉(zhuǎn)化為主流的制造方式。自2011年起，AMC每年都向其會(huì)員發(fā)布加式制造的現(xiàn)狀報(bào)告。此外，近3年來(lái)美國(guó)政府、軍方及企業(yè)還多次組織3D打印技術(shù)的有獎(jiǎng)挑戰(zhàn)大賽，希望以此加速相關(guān)技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用和普及。

4 從社會(huì)計(jì)算到社會(huì)制造：產(chǎn)業(yè)革命的基礎(chǔ)與動(dòng)力

2012年9月19日，著名科技雜志W(wǎng)ired的主編Anderson以危言聳聽(tīng)般的標(biāo)題“The New MakerBot Replicator Might Just Change Your World（新的MakerBot Replicator或?qū)⒏淖兡愕氖澜纾泵枋隽诵滦?D打印機(jī)的進(jìn)展情況。根據(jù)該報(bào)道，MakerBot公司推出的低端3D打印機(jī)Replicator 2的價(jià)格僅為2199美元，高端的Replicator 2X也只有2799美元；并且，幾年后價(jià)格可能會(huì)降到99美元；屆時(shí)，每個(gè)人都將擁有3D打印機(jī)，比計(jì)算機(jī)還要普及。在2011年美國(guó)加式制造現(xiàn)狀的許多報(bào)告中，3D打印的個(gè)人使用和世界范圍的應(yīng)用已被列為最新的發(fā)展趨勢(shì)。

這意味著什么？為什么說(shuō)這將改變我們的世界？

這意味著“長(zhǎng)尾效應(yīng)”常態(tài)化將在生活和產(chǎn)業(yè)中成為現(xiàn)實(shí)，意味著個(gè)性化的規(guī)?；徒?jīng)濟(jì)化，意味著社會(huì)制造時(shí)代的來(lái)臨：在這個(gè)時(shí)代里，社會(huì)需求將同社會(huì)制造能力實(shí)時(shí)無(wú)縫地銜接，搜索就是制造，搜索就是生產(chǎn)，搜索就是消費(fèi)。原因十分簡(jiǎn)單，減式制造依靠規(guī)模生產(chǎn)降低成本，但絕大多數(shù)的需求并不需要規(guī)模生產(chǎn)，屬長(zhǎng)尾范圍，過(guò)去只能由手工制作或歸為奢侈品來(lái)滿足，而現(xiàn)在可以通過(guò)3D打印技術(shù)高質(zhì)量且經(jīng)濟(jì)地解決。3D打印成本的下降和應(yīng)用的普及，意味著加式制造的 Microsoft、Oracle、Yahoo、Amazon、Google、QQ、阿里巴巴、Facebook、Twitter和微博時(shí)代的同時(shí)到來(lái)。正如Google依靠大規(guī)模的計(jì)算機(jī)服務(wù)器陣列來(lái)滿足人們信息搜索的需求，從而改變?nèi)祟惿钆c工作方式一樣，我們可以設(shè)想未來(lái)的3D打印機(jī)組成大規(guī)模的制造陣列，實(shí)時(shí)方便地滿足人類對(duì)各種個(gè)性化產(chǎn)品的物質(zhì)需求，進(jìn)而更加深刻地改變我們生活的社會(huì)，這就是為什么3D打印將改變我們的世界，這就是為什么社會(huì)制造將帶來(lái)一場(chǎng)產(chǎn)業(yè)革命。

至今，人們尚未對(duì)社會(huì)制造的確切含義進(jìn)行深入的探討，我們不妨從國(guó)外兩個(gè)典型的社會(huì)制造公司入手，考察其內(nèi)容和意義。

Shapeways：該公司于2007年創(chuàng)立于荷蘭，后將總部移至美國(guó)紐約市，至今已獲數(shù)千萬(wàn)美元的風(fēng)險(xiǎn)投資。2012年10月，該公司位于紐約皇后區(qū)的“未來(lái)工廠”投入運(yùn)營(yíng)?！拔磥?lái)工廠”里的機(jī)器，就是50臺(tái)工業(yè)3D打印機(jī)，通過(guò)Facebook和Twitter等社會(huì)媒體，接受客戶的各種產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)方案，并在數(shù)天內(nèi)完成產(chǎn)品的打印生產(chǎn)，然后寄送給客戶。同時(shí)，該公司還為商家和設(shè)計(jì)者設(shè)立平臺(tái)，使他們可以利用公司的3D打印機(jī)生產(chǎn)并銷售自己設(shè)計(jì)或收集的產(chǎn)品，目前該公司已有近15萬(wàn)個(gè)平臺(tái)會(huì)員，6000余名設(shè)計(jì)者，至2012年6月20日，已打印了100多萬(wàn)個(gè)3D產(chǎn)品。

Quirky：該公司于2009年成立于美國(guó)紐約，至今已獲近億美元的風(fēng)險(xiǎn)基金，創(chuàng)始人Ben Kaufman今年僅25歲。Quirky的特色是眾包：公司通過(guò)Facebook和Twitter等社會(huì)媒體接收公眾提交的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路，并由公司的注冊(cè)用戶進(jìn)行評(píng)論和投票表決，如此每周挑選出一個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行3D打印生產(chǎn)，參加產(chǎn)品設(shè)計(jì)和修正過(guò)程的眾包人員可分享30%的營(yíng)業(yè)額。公司還進(jìn)一步將眾包設(shè)計(jì)改進(jìn)的過(guò)程同時(shí)轉(zhuǎn)化為通過(guò)社會(huì)媒體來(lái)推薦相應(yīng)產(chǎn)品的過(guò)程，創(chuàng)造性地拓展了銷售市場(chǎng)。目前，該公司每年僅生產(chǎn)60種產(chǎn)品，產(chǎn)品的提交費(fèi)由最初的99美元降至現(xiàn)在的約10美元，公司的注冊(cè)用戶每月以20%的速度增長(zhǎng)，現(xiàn)已達(dá)6.5萬(wàn)人，而網(wǎng)上社區(qū)注冊(cè)用戶達(dá)26萬(wàn)。2012年公司有望獲利100萬(wàn)美元，已向發(fā)明者支付了200多萬(wàn)美元的授權(quán)費(fèi)。Quirky的一個(gè)成功例子是一位中學(xué)生所設(shè)計(jì)的“Pivot Power”插線板，今年已獲50萬(wàn)美元的凈收入，該中學(xué)生的收入超過(guò)5萬(wàn)美元。

可見(jiàn)，社會(huì)制造最大的特色就是消費(fèi)者可將需求直接轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，即“從想法到產(chǎn)品”，并使得任何人都可通過(guò)社會(huì)媒體和眾包等形式參與其設(shè)計(jì)、改進(jìn)、宣傳、推廣、營(yíng)銷等過(guò)程，并可以分享其產(chǎn)品的利潤(rùn)。簡(jiǎn)言之，社會(huì)制造就是利用3D打印、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和社會(huì)媒體，通過(guò)眾包等方式讓社會(huì)民眾充分參與產(chǎn)品的全生命制造過(guò)程，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、實(shí)時(shí)化、經(jīng)濟(jì)化的生產(chǎn)和消費(fèi)模式。

在社會(huì)制造的環(huán)境下，大批3D打印機(jī)形成制造網(wǎng)絡(luò)，并與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和物流網(wǎng)無(wú)縫連接，形成復(fù)雜的社會(huì)制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)滿足人們的各種需求（圖5）。

圖5 社會(huì)制造的網(wǎng)絡(luò)與過(guò)程

搜索是社會(huì)制造的核心，其實(shí)質(zhì)內(nèi)容就是社會(huì)計(jì)算，傳統(tǒng)的企業(yè)將轉(zhuǎn)變?yōu)槟苤鲃?dòng)感知并且響應(yīng)用戶大規(guī)模個(gè)性化需求的智能企業(yè)，否則無(wú)法生存。

社會(huì)制造的關(guān)鍵問(wèn)題就是如何主動(dòng)、及時(shí)地將社會(huì)需求與社會(huì)制造能力有機(jī)地銜接起來(lái)，從而有效地完成從需求到供應(yīng)之間的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程。為此，我們必須實(shí)現(xiàn)從社會(huì)計(jì)算到社會(huì)制造的轉(zhuǎn)換，將兩個(gè)密切相關(guān)的新興領(lǐng)域有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。網(wǎng)絡(luò)空間和社會(huì)媒體的環(huán)境，不但是催生這兩個(gè)領(lǐng)域的基本條件，更為完成相應(yīng)的整合任務(wù)提供了有利的保障。

首先，社會(huì)計(jì)算為社會(huì)制造提供了主動(dòng)及時(shí)掌握社會(huì)需求的必要手段，從而能夠在大數(shù)據(jù)時(shí)代環(huán)境下直接用數(shù)據(jù)研究考察各類問(wèn)題。其次，社會(huì)制造涉及人的行為與需求，對(duì)許多問(wèn)題由于時(shí)間、經(jīng)濟(jì)、法律和道德上的原因無(wú)法進(jìn)行傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，而社會(huì)計(jì)算能以計(jì)算實(shí)驗(yàn)的方式彌補(bǔ)這一缺陷。最后，社會(huì)計(jì)算的平行管理與控制可為落實(shí)社會(huì)制造的運(yùn)營(yíng)和支持各種決策提供有效的操作平臺(tái)。

特別是，作為目前社會(huì)制造的核心手段之眾包，也正是社會(huì)計(jì)算目前的核心研究?jī)?nèi)容。眾包源于中國(guó)的“人肉搜索”現(xiàn)象，可以被認(rèn)為是工程化的“人肉搜索”，而“人肉搜索”是社會(huì)化的眾包，兩者是從不同角度認(rèn)識(shí)的同一概念。一般而言，社會(huì)民眾可以通過(guò)“人肉搜索”的獨(dú)立方式尋求滿足自己需要的社會(huì)制造企業(yè)，而企業(yè)可以通過(guò)眾包的方式有效地完成產(chǎn)品的提出、設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和營(yíng)銷等任務(wù)（圖6a）。圖7給出通過(guò)“人肉搜索”或眾包的方式完成從社會(huì)需求到社會(huì)制造的過(guò)程。

圖6 網(wǎng)群運(yùn)動(dòng)組織CMO、社會(huì)需求、社會(huì)制造

圖7 基于CMO的社會(huì)需求與社會(huì)制造能力轉(zhuǎn)換

在此基礎(chǔ)上，我們還進(jìn)一步提出網(wǎng)群運(yùn)動(dòng)組織 CMOs（Cyber Movement Organizations）的概念（圖6b）來(lái)刻畫(huà)動(dòng)態(tài)網(wǎng)民群體，從而能夠精確地滿足社會(huì)制造的各種需要。CMO的概念源自社會(huì)學(xué)的社會(huì)運(yùn)動(dòng)組織（SMO）和網(wǎng)絡(luò)促生的SMO(即CeSMO)，對(duì)于社會(huì)制造而言，可以直接將CMO解釋成客戶運(yùn)動(dòng)組織（Customer Movement Organization）。掌控相關(guān)CMO，將是實(shí)現(xiàn)從社會(huì)需求到社會(huì)制造之間有效轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵所在（圖6c）。將來(lái)，一個(gè)社會(huì)制造企業(yè)能否成功，一定取決于其掌控CMO的手段和能力。

總之，社會(huì)計(jì)算是社會(huì)制造在3D打印技術(shù)之后，整合 Microsoft、Oracle、Yahoo、Amazon、eBay、Google、百度、阿里巴巴、Facebook、Twitter、QQ、微博等理念與實(shí)踐的關(guān)鍵，是社會(huì)制造成為未來(lái)智能生產(chǎn)企業(yè)之基礎(chǔ)的必由之路。只有在社會(huì)制造過(guò)程中，真正地嵌入社會(huì)計(jì)算方法，加式制造才能真正完成一場(chǎng)偉大的產(chǎn)業(yè)革命。

5 社會(huì)制造的平行運(yùn)營(yíng)與管理

盡管社會(huì)制造企業(yè)僅有短短幾年的歷史，但正如Anderson所指出的，相對(duì)于傳統(tǒng)的制造方式，社會(huì)制造企業(yè)其生產(chǎn)過(guò)程具有3個(gè)鮮明的特性：

免費(fèi)的多樣性（Variety is Free）：把每個(gè)產(chǎn)品做的不同與把它們做成同樣之間無(wú)成本差異。

免費(fèi)的復(fù)雜性（Complexity is Free）：像打印一個(gè)簡(jiǎn)單塑料方塊一樣便宜且方便地打印一個(gè)具有精巧小組件和繁瑣細(xì)節(jié)的產(chǎn)品。

免費(fèi)的柔韌性（Flexibility is Free）：在生產(chǎn)過(guò)程開(kāi)始后，改變一個(gè)產(chǎn)品只是意味著程序的簡(jiǎn)單改變。

必須指出的是，這3個(gè)加式制造的免費(fèi)特性，要想在傳統(tǒng)制造中獲得，須付出很大的代價(jià)。

然而，這些特性也將不可避免地使真正的社會(huì)制造過(guò)程變得極其動(dòng)態(tài)、多樣、復(fù)雜且不確定。因此，我們需要新的理念、系統(tǒng)和方法來(lái)管理和運(yùn)作社會(huì)制造企業(yè)，這就是提出社會(huì)制造平行運(yùn)營(yíng)和管理的原因。

基于針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的ACP（人工系統(tǒng)+計(jì)算實(shí)驗(yàn)+平行執(zhí)行）理論，圖8給出社會(huì)制造的平行控制與管理系統(tǒng)的研究框架。這一框架以社會(huì)制造企業(yè)和承載網(wǎng)群運(yùn)動(dòng)組織CMO的互聯(lián)網(wǎng)為對(duì)象，以現(xiàn)代物流網(wǎng)絡(luò)為支撐，以3D打印加式制造設(shè)備為依托，形成一類支持集設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造、推介、消費(fèi)為一體的新型智能制造產(chǎn)業(yè)模式。這對(duì)于我國(guó)生產(chǎn)企業(yè)降低成本、提高利潤(rùn)，進(jìn)而提高我國(guó)制造業(yè)中的整體競(jìng)爭(zhēng)力、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)具有重要意義。

圖8 社會(huì)制造的平行控制與管理系統(tǒng)研究框架

社會(huì)制造的平行控制與管理系統(tǒng)主要由5部分組成，簡(jiǎn)介如下。

（1）社會(huì)制造的人工社會(huì)。圖9給出社會(huì)制造的人工系統(tǒng)架構(gòu)，主要包括：社會(huì)制造中網(wǎng)群運(yùn)動(dòng)組織CMO的人工社會(huì)構(gòu)建；社會(huì)制造的人工系統(tǒng)構(gòu)建；社會(huì)制造參與各方的交互模型。這里的主要任務(wù)是建立需求熱點(diǎn)和相關(guān)CMO網(wǎng)上網(wǎng)下行為的演化模型，并研究其復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性與社會(huì)媒體信息傳播機(jī)制間的關(guān)系，從而為社會(huì)制造的控制與管理提供決策依據(jù)。

圖9 社會(huì)制造的人工系統(tǒng)架構(gòu)

（2）社會(huì)制造的計(jì)算實(shí)驗(yàn)。圖10描述社會(huì)制造中的計(jì)算實(shí)驗(yàn)過(guò)程，主要包括：生產(chǎn)任務(wù)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)，生產(chǎn)全過(guò)程的優(yōu)化跟蹤、分析評(píng)價(jià)、動(dòng)態(tài)演化，CMO的演化分析與評(píng)估，CMO對(duì)突發(fā)事件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)模擬及預(yù)處理模擬；CMO的管理機(jī)制與策略的分析與評(píng)估，探索網(wǎng)絡(luò)社會(huì)中熱點(diǎn)形成機(jī)理及發(fā)展規(guī)律，3D打印制造分布協(xié)作機(jī)制評(píng)估與性能分析；3D打印制造分布協(xié)作機(jī)制對(duì)突發(fā)事故的動(dòng)態(tài)相應(yīng)模擬及預(yù)處理機(jī)制模擬，3D打印制造負(fù)載均衡與批量?jī)?yōu)化方法，物流過(guò)程優(yōu)化與跟蹤方法，等等。

（3）社會(huì)制造的平行執(zhí)行。圖11描述社會(huì)制造中的平行執(zhí)行過(guò)程，主要內(nèi)容包括：社會(huì)制造人工系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的虛實(shí)互動(dòng)機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)社會(huì)與真實(shí)社會(huì)的互動(dòng)調(diào)節(jié)與反饋機(jī)制，CMO人工系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)之間的互動(dòng)調(diào)節(jié)與反饋機(jī)制，分布式協(xié)作的3D打印人工系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的互動(dòng)調(diào)節(jié)與反饋機(jī)制等等。主要任務(wù)包括：研究CMO與真實(shí)社會(huì)交易行為的相互影響與反饋機(jī)理；社會(huì)制造中虛實(shí)系統(tǒng)的互動(dòng)演化和反饋調(diào)節(jié)，為真實(shí)社會(huì)中基于CMO的社會(huì)制造決策提供支持。

（4）社會(huì)制造的支撐技術(shù)：云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)。由于存在于社會(huì)媒體上的CMO涉及大數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)性、多樣性、虛實(shí)交互性、復(fù)雜性和不確定性等特點(diǎn)，如何從大數(shù)據(jù)中獲得有用的信息，并從中挖掘出CMO的一般規(guī)律是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。我們必須以物聯(lián)云計(jì)算的手段，采用機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、模式識(shí)別、人工智能等領(lǐng)域的理論、技術(shù)、方法,研發(fā)可計(jì)算的智能社會(huì)媒體數(shù)據(jù)信息處理的機(jī)制，進(jìn)而支撐處理CMO的計(jì)算模型。主要研究?jī)?nèi)容如圖12所示。

圖10 社會(huì)制造的計(jì)算實(shí)驗(yàn)

圖11 社會(huì)制造中的平行執(zhí)行過(guò)程

圖12 社會(huì)制造的大數(shù)據(jù)處理

（5）社會(huì)制造的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。圖13和圖14分別給出面向服務(wù)的社會(huì)制造平行系統(tǒng)之體系結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)框架，描述了各個(gè)層次結(jié)構(gòu)及其功能。

6 回顧與展望

2007年，在參加編寫(xiě)《中國(guó)至2050年先進(jìn)制造科技發(fā)展路線圖》的過(guò)程中，加式制造引起了我們的注意，但當(dāng)時(shí)由于專家意見(jiàn)不一致，特別是人力、物力和時(shí)間的缺乏，只能將加式制造作為實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)跟蹤課題予以關(guān)注。2010年，我們向有關(guān)部門(mén)提出將社會(huì)制造作為重點(diǎn)方向立項(xiàng)的建議，但最終的決策是首先加強(qiáng)快速成型系統(tǒng)的研發(fā)與完善。2011年，中科院復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲國(guó)家批準(zhǔn)成立，我們即決定將社會(huì)計(jì)算與社會(huì)制造有機(jī)地結(jié)合，作為國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室新的研究方向，以此重新組織我們?cè)诳刂坪妥詣?dòng)化領(lǐng)域的力量，重塑我們?cè)谠擃I(lǐng)域的傳統(tǒng)影響。之后，實(shí)驗(yàn)室成立了以年輕科研人員為主的社會(huì)制造攻堅(jiān)團(tuán)隊(duì)，配合相關(guān)企業(yè)，研發(fā)從社會(huì)計(jì)算到社會(huì)制造的核心方法和系統(tǒng)平臺(tái)。

然而，3D打印技術(shù)和社會(huì)制造的發(fā)展速度卻大大超過(guò)我們的預(yù)期。以目前的國(guó)際發(fā)展態(tài)勢(shì)，我們必須立即大力度大規(guī)模地啟動(dòng)社會(huì)制造的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，否則就難以保持我國(guó)目前在制造業(yè)的優(yōu)勢(shì)和地位，無(wú)法維持我國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)力，更難以實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)升級(jí)和轉(zhuǎn)型。

圖13 社會(huì)制造的平行控制與管理體系結(jié)構(gòu)

圖14 社會(huì)制造系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)架構(gòu)

很明顯，社會(huì)制造是計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)引發(fā)的信息革命之后的又一場(chǎng)產(chǎn)業(yè)革命，而且是一場(chǎng)虛實(shí)結(jié)合的革命，其規(guī)模和速度都將是前所未有的，意義重大，并更具挑戰(zhàn)性。這場(chǎng)革命對(duì)從業(yè)人員的素質(zhì)與專業(yè)水平以及運(yùn)營(yíng)環(huán)境的要求都與我們現(xiàn)行的教育科研和產(chǎn)業(yè)管理體制有明顯的沖突。如不認(rèn)真應(yīng)對(duì)，輕則可能發(fā)生西方國(guó)家所期望的制造業(yè)從中國(guó)等發(fā)展中國(guó)家向發(fā)達(dá)國(guó)家回流的現(xiàn)象，重則嚴(yán)重影響中華民族的復(fù)興偉業(yè)。

致謝 本項(xiàng)工作得到了中科院復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室社會(huì)制造團(tuán)隊(duì)和中國(guó)人民解放軍總裝備部有關(guān)人員的大力支持，在此深表感謝。

1 王飛躍.加式制造與智能產(chǎn)業(yè)：3D打印、人肉搜索、社會(huì)計(jì)算與社會(huì)制造.中科院社會(huì)計(jì)算與平行管理中心報(bào)告.2009.

2 王飛躍,劉建軍等.3D打印與加式制造現(xiàn)狀報(bào)告.2012.

3 David Bourell et al.ABrief History of Additive Manufacturing:Looking Back and Looking Ahead,RapidTech 2009:US-Turkey Workshop on Rapid Technologies,2009.

4 Justin Scott,Nayanee Gupta,Christopher Weber et al.Additive Manufacturing:Status and Opportunities.Science and Technology Policy Institute,March 2012.

5 David Bourell et al.Roadmap for Additive Manufacturing:Identifying the Future of Freeform Processing,at Austin,TX,2009.

6 Terry Wohlers.Wohlers Report 2011:Additive Manufacturing and 3D Printing,State of the Industry.Ft.Collins,CO:Wohlers Associates,2011.

7 Fink C W.An Overview of Additive Manufacturing,Part I.AMMTIAC Quarterly,2009,4(2):7-11.

8 President Obama to Announce New Efforts to Support Manufacturing Innovation,Encourage Insourcing.March 9,2012.Available from http://www.whitehouse.gov/the-press-office/2012/03/09/president-obama-announce-new-efforts-supportmanufacturing-innovation-en

9 王飛躍.從一無(wú)所有到萬(wàn)象所歸：人工社會(huì)與復(fù)雜系統(tǒng)研究.科學(xué)時(shí)報(bào),2004.

10 王飛躍.社會(huì)計(jì)算：科學(xué)·技術(shù)·人文.中國(guó)科學(xué)院院刊,2005,20（5）：370-376.

11 王飛躍.知識(shí)產(chǎn)生方式和科技決策支持的重大變革——面向大數(shù)據(jù)和開(kāi)源信息的科技態(tài)勢(shì)解析與決策服務(wù),中國(guó)科學(xué)院院刊,2012,27（3）:527-537.

12 王飛躍.基于社會(huì)計(jì)算和平行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)民群體研究.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011,33（1）:8-17.

13 Wang Feiyue.Toward a Paradigm Shift in Social Computing:The ACPApproach IEEE Intelligent Systems,2007,22,（5）:65-67.

14 Wang Feiyue.Social Manufacturing and Intelligent Enterprises:From Cyber-Physical Systems to Cyber-Physical-Social Systems.The 25th International Conference on Industrial,Engineering and Applications of Applied Intelligent Systems，Dalian,Liaoning,June,2012.

15 王飛躍.自動(dòng)化與智能產(chǎn)業(yè)——從社會(huì)計(jì)算到社會(huì)制造.2012年全國(guó)第十七屆自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì),吉林市,2012年8月.

16 Wang Feiyue.From Social Computing to Social Manufacturing:ANew Frontier in Cyber-Physical-Social Space.The 2nd International Conference on Social Computing and Its Applications,Xiangtan,Hunan,2012.

17 中科院先進(jìn)制造戰(zhàn)略研究組.中國(guó)至2050年先進(jìn)制造科技發(fā)展路線圖.北京：科學(xué)出版社,2009.

18 張杰,王濤,王曉等.社會(huì)運(yùn)動(dòng)組織與網(wǎng)群運(yùn)動(dòng)組織,杭州：浙江大學(xué)出版社,2012.

19 商秀芹,劉建軍,王飛躍等.社會(huì)制造的平行控制與管理,杭州：浙江大學(xué)出版社,2012.

20 秦蕊,劉建軍等.3D打印機(jī)與加式制造：現(xiàn)狀與發(fā)展.杭州：浙江大學(xué)出版社,2012年.

21 王飛躍等.社會(huì)制造發(fā)展路線圖,2012.