房豐洲

【摘要】制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。為加速實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造”升級(jí)為“優(yōu)質(zhì)制造”，必須在制造領(lǐng)域?qū)ふ倚碌耐黄瓶冢瑢?shí)現(xiàn)制造業(yè)的跨越式發(fā)展。“制造3.0”不同于傳統(tǒng)的制造，其理論遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常規(guī)制造的理論和技術(shù)范疇，更多地依賴(lài)于新的科學(xué)原理和理論基礎(chǔ)，對(duì)我國(guó)在下一輪國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中獲得優(yōu)勢(shì)地位具有戰(zhàn)略意義。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)4.0 制造3.0 原子尺度制造 【中圖分類(lèi)號(hào)】F423.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

18世紀(jì)中葉人類(lèi)開(kāi)啟工業(yè)文明以來(lái)，制造業(yè)作為社會(huì)創(chuàng)造物質(zhì)財(cái)富的主要渠道，成為各國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)?？v觀(guān)近現(xiàn)代世界史，大國(guó)的興起均始于制造業(yè)，當(dāng)今世界強(qiáng)國(guó)都是制造強(qiáng)國(guó)。自新中國(guó)成立尤其是改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的制造業(yè)有了顯著的發(fā)展，無(wú)論是制造業(yè)規(guī)模還是制造技術(shù)水平都有顯著的提高。著眼未來(lái)，中國(guó)要從經(jīng)濟(jì)大國(guó)邁向經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)，首先要成為制造業(yè)強(qiáng)國(guó)。

“工業(yè)4.0”近期受到各國(guó)政府、產(chǎn)業(yè)界及學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注，今年5月，中國(guó)國(guó)務(wù)院印發(fā)《中國(guó)制造2025》，為我國(guó)建設(shè)現(xiàn)代化的工業(yè)強(qiáng)國(guó)描繪出清晰的路線(xiàn)圖?！肮I(yè)4.0”這一概念最早出現(xiàn)在2011年德國(guó)舉行的漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，一經(jīng)提出就迅速在歐盟工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)引起了極大關(guān)注。隨后在德國(guó)政府推出的《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》中，“工業(yè)4.0”被列為十大未來(lái)項(xiàng)目之一，旨在支持工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行新一代革命性技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新，以此奠定德國(guó)在關(guān)鍵技術(shù)上的國(guó)際領(lǐng)先地位，夯實(shí)德國(guó)作為技術(shù)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

根據(jù)德國(guó)“工業(yè)4.0”的劃分方法，人類(lèi)社會(huì)已經(jīng)歷了三次工業(yè)革命。第一次工業(yè)革命始于1784年瓦特對(duì)蒸汽機(jī)的改良，以蒸汽機(jī)為動(dòng)力的紡織機(jī)徹底改變了產(chǎn)品的生產(chǎn)方式。第二次工業(yè)革命始于1870年，美國(guó)辛辛那提屠宰場(chǎng)的第一條生產(chǎn)線(xiàn)將人類(lèi)帶入分工明確、大批量生產(chǎn)的流水線(xiàn)模式和“電氣時(shí)代”。第三次工業(yè)革命始于1969年可編程控制器的出現(xiàn)，使制造過(guò)程不斷自動(dòng)化，機(jī)器不僅取代了相當(dāng)比例的體力勞動(dòng)，而且還替代了部分腦力勞動(dòng)?！肮I(yè)4.0”被認(rèn)為是在前三次工業(yè)革命的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化，基于“信息物理系統(tǒng)”（Cyber Physical System）實(shí)現(xiàn)新的制造方式。信息物理系統(tǒng)是指通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)緊密連接現(xiàn)實(shí)世界，將網(wǎng)絡(luò)空間的高級(jí)計(jì)算能力有效運(yùn)用于現(xiàn)實(shí)世界中，從而在生產(chǎn)制造過(guò)程中，與設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)有關(guān)的所有數(shù)據(jù)將通過(guò)傳感器采集并進(jìn)行分析，最終實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)品、生產(chǎn)設(shè)施的全生命周期中的智能管理和智能生產(chǎn)。這意味著未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)組織方式將向定制化、分散化、融合化轉(zhuǎn)變，將使得互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)與工業(yè)企業(yè)的邊界逐漸被打破，生產(chǎn)企業(yè)與服務(wù)企業(yè)的邊界日益模糊。

中國(guó)業(yè)界對(duì)“工業(yè)4.0”的關(guān)注熱度不亞于其他國(guó)家和地區(qū)，這表明中國(guó)產(chǎn)業(yè)界對(duì)新一輪科技革新和產(chǎn)業(yè)變革的高度敏感?！肮I(yè)4.0”作為新的工業(yè)生產(chǎn)模式，對(duì)中國(guó)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要的借鑒意義。雖然目前中國(guó)是全球最大的制造國(guó)，但在制造基礎(chǔ)、制造技術(shù)、制造體系等方面與德、美、日等國(guó)仍有很大差距，高檔裝備從母機(jī)到生產(chǎn)設(shè)備仍需依賴(lài)進(jìn)口。公開(kāi)數(shù)據(jù)顯示，僅2013年我國(guó)高檔裝備進(jìn)口額就超過(guò)千億元。自動(dòng)化過(guò)程中所需的基礎(chǔ)芯片，2013年進(jìn)口額也已達(dá)到兩千多億人民幣。同時(shí)，國(guó)內(nèi)的絕大多數(shù)工廠(chǎng)還處于勞動(dòng)密集的“規(guī)?；魉€(xiàn)”的“工業(yè)2.0”時(shí)代，尚未踏入大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)的“工業(yè)3.0”時(shí)代，數(shù)十萬(wàn)人集聚的富士康代工廠(chǎng)似乎可以被視為當(dāng)前中國(guó)制造業(yè)主要形態(tài)的縮影。

基于目前的中國(guó)國(guó)情，從總體上追求“工業(yè)4.0”，也許時(shí)機(jī)尚未成熟。如果把中德兩國(guó)工業(yè)現(xiàn)狀比作兩座外表差異不大的房子，若一座房子擬為擴(kuò)展空間在上面加蓋一層，另一座也參照加蓋一層，結(jié)果可能未必相同。因?yàn)榈谝蛔牡鼗赡苌钊氲叵氯舾擅?，增高一層依然穩(wěn)固，而另一座若起于地面，增高一層后，原有房子將存在傾倒的可能。但是如果我們嘗試在繼續(xù)加固現(xiàn)有房子的基礎(chǔ)上，將部分力量投入另一座新房的建設(shè)，也許會(huì)出現(xiàn)新的景象。

人類(lèi)文明與制造業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)。早在石器時(shí)代，人類(lèi)就開(kāi)始利用石器作為勞動(dòng)工具制作生活和生產(chǎn)用品，到了青銅器和鐵器時(shí)代，為了滿(mǎn)足以農(nóng)業(yè)為主的自然經(jīng)濟(jì)的需要，人們開(kāi)始采礦、冶金和鍛造工具，并開(kāi)始制造紡織機(jī)械、水利機(jī)械、運(yùn)輸車(chē)輛等。在此后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，人類(lèi)主要以手工作坊的形式生產(chǎn)制造工具及各種用品，在重復(fù)制造各種勞動(dòng)工具的過(guò)程中，逐漸產(chǎn)生工具定型化傾向，開(kāi)始了簡(jiǎn)單的分工作業(yè)。這是作為一種藝術(shù)而存在和發(fā)展的制造技術(shù)第一階段，即“制造1.0”。

將制造從一種工匠活動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N技術(shù)起源于因蒸汽機(jī)的發(fā)明而開(kāi)啟的工業(yè)革命。機(jī)械技術(shù)與蒸汽技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了近代工業(yè)化的制造方式，機(jī)器制造方式逐步取代手工制造方式并形成規(guī)模。自這次工業(yè)革命之后，機(jī)床制造業(yè)在歐洲和美國(guó)經(jīng)歷了較長(zhǎng)一段時(shí)間的蓬勃發(fā)展，機(jī)床業(yè)中逐步的標(biāo)準(zhǔn)化、精度的不斷提高以及功率更大的機(jī)床的出現(xiàn)，給其他金屬類(lèi)產(chǎn)品制造提供了良好的基礎(chǔ)。而后，隨著發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的發(fā)明，電氣化使電作為新的動(dòng)力源大大改變了機(jī)器結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)效率。由于當(dāng)時(shí)戰(zhàn)爭(zhēng)的不斷爆發(fā)和持續(xù)，加速了槍炮等武器的研制和生產(chǎn)，槍支生產(chǎn)和機(jī)床發(fā)明的交互作用導(dǎo)致了制造中很重要的一個(gè)概念——互換性的出現(xiàn)，每一個(gè)零部件在制造時(shí)都需滿(mǎn)足嚴(yán)格的一致性。1931年，亨利·福特正是基于互換性標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)建立了具有劃時(shí)代意義的汽車(chē)裝配生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了以剛性自動(dòng)化為特征的大規(guī)模生產(chǎn)方式。1952年，美國(guó)麻省理工學(xué)院研制出世界上第一臺(tái)數(shù)控銑床，由此標(biāo)志著制造領(lǐng)域中數(shù)控時(shí)代的開(kāi)始，數(shù)控化使機(jī)械產(chǎn)品的功能和性能產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，基于經(jīng)典力學(xué)的制造基礎(chǔ)理論得到了形成、發(fā)展，并日趨完善。傳統(tǒng)加工中材料的去除已從毫米、微米發(fā)展到納米尺度。宏觀(guān)上講，可以把它們統(tǒng)稱(chēng)為制造技術(shù)發(fā)展的第二個(gè)階段——基于機(jī)器精度的可控制造時(shí)代，即“制造2.0”。

制造的核心技術(shù)之一是加工，當(dāng)加工的尺度從微米、納米向著原子尺度逼近時(shí)，出現(xiàn)了原子量級(jí)的材料去除、遷移或增加，傳統(tǒng)的加工理論已經(jīng)無(wú)法解釋這一尺度下發(fā)生的現(xiàn)象和效應(yīng)。這也標(biāo)志著制造技術(shù)將從以經(jīng)典力學(xué)、宏觀(guān)統(tǒng)計(jì)分析和工程經(jīng)驗(yàn)為主要特征的現(xiàn)代制造技術(shù)，走向基于多學(xué)科綜合交叉集成的下一代制造技術(shù)。這種原子或近原子尺度的制造（Atomic or Close-to-atomic Scale Manufacturing），簡(jiǎn)稱(chēng)為ACSM制造，即“制造3.0”。其主要特征：其一，制造對(duì)象與過(guò)程設(shè)計(jì)跨越宏觀(guān)、微觀(guān)和納觀(guān)直接作用于原子本身。產(chǎn)品的幾何尺寸是宏觀(guān)的，但卻要在原子尺度上實(shí)現(xiàn)制造體的輪廓及表面形貌。其二，制造過(guò)程中表面/界面效應(yīng)占主導(dǎo)作用。原子或近原子尺度材料去除、遷移或增加的物理與化學(xué)反應(yīng)等一系列過(guò)程均發(fā)生在固/液/氣相的作用界面上。其三，制造過(guò)程中原子/分子的行為決定于量子效應(yīng)。隨著制造對(duì)象尺度和精度趨向原子或近原子量級(jí)，制造科學(xué)與技術(shù)的研究方法需由宏觀(guān)的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)向趨于物質(zhì)基本組成粒子的相互作用機(jī)制轉(zhuǎn)變。

回顧制造業(yè)的發(fā)展過(guò)程，亞毫米級(jí)制造精度使蒸汽機(jī)革命在英國(guó)成功，并使英國(guó)一度成為“日不落帝國(guó)”；微米級(jí)制造精度適應(yīng)了電氣和電子產(chǎn)品的制造，造就了美國(guó)、歐洲和日本的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。“制造3.0”（ACSM制造）有望在制造領(lǐng)域帶來(lái)科學(xué)和技術(shù)的變革，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變提供了歷史機(jī)遇。

電子管出現(xiàn)后，曾經(jīng)是電路系統(tǒng)中的核心元件，但隨之被晶體管完全取代。微芯片的誕生可以說(shuō)創(chuàng)造了一個(gè)時(shí)代，芯片的集成度正在快速發(fā)展，其線(xiàn)寬也從32納米、22納米向著11納米發(fā)展。晶體管特征尺寸的縮小也不是無(wú)限制的，目前尖端的制造工藝已經(jīng)基本接近極限值，若超出極限值，材料的物理、化學(xué)性能將發(fā)生質(zhì)的變化，電子的運(yùn)動(dòng)不再遵循經(jīng)典物理，開(kāi)始呈現(xiàn)量子態(tài)。這種情況下，電子具有概率所呈現(xiàn)出的波特性，出現(xiàn)隧穿效應(yīng)，“穿過(guò)”原本不可能穿過(guò)的絕緣節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)行的半導(dǎo)體器件將無(wú)法工作。利用量子科學(xué)開(kāi)發(fā)出基于量子芯片的新信息處理機(jī)制，即量子計(jì)算機(jī)，它的處理速度從理論上講是傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的上萬(wàn)億倍，其可靠性、運(yùn)算速度以及精密度幾近完美，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的功能可完全等同于幾個(gè)巨型超級(jí)計(jì)算機(jī)的功能總和，它的優(yōu)越性是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)所無(wú)法比擬和想象的?？梢灶A(yù)見(jiàn)，量子芯片的時(shí)代在不遠(yuǎn)的將來(lái)一定會(huì)到來(lái)。

如果在晶體管出現(xiàn)之前，我們下大氣力投入電子管制造的研究、開(kāi)發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，一旦晶體管出現(xiàn)，無(wú)論我們做出怎樣的前期努力，都將付之東流。同樣，我們也付出巨大努力在微電子芯片制造的研究、開(kāi)發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，力求趕超發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)達(dá)到的技術(shù)水準(zhǔn)。若干年后，當(dāng)量子芯片出現(xiàn)后，我們不得不進(jìn)入另一輪的追趕。

無(wú)論是量子芯片，抑或是其他我們沒(méi)有預(yù)見(jiàn)到的新的革命性元器件，當(dāng)它們形成產(chǎn)品時(shí)，對(duì)新一代制造技術(shù)的需求將是必然。而作為下一代制造技術(shù)的代表，“制造3.0”的啟動(dòng)、策劃與實(shí)施，將對(duì)我們國(guó)家的戰(zhàn)略發(fā)展起到積極的支撐作用。

“制造3.0”是下一代制造技術(shù)，預(yù)示著制造技術(shù)新的革命性階段，對(duì)我國(guó)在下一輪國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中獲得優(yōu)勢(shì)地位具有戰(zhàn)略意義。建議國(guó)家相關(guān)決策部門(mén)啟動(dòng)論證與規(guī)劃，并列為國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。

（作者為天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院教授，長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授，“973”計(jì)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家）

【參考文獻(xiàn)】

①?lài)?guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)《中國(guó)制造2025》的通知，中國(guó)政府網(wǎng)，2015年05月08日。

責(zé)編/周素麗 張寒（見(jiàn)習(xí)）