工業(yè)4.0進(jìn)行時(shí)：三大變革重塑制造業(yè)未來(lái)

■ 沈錫林

今天，隨著互聯(lián)網(wǎng)與制造部門(mén)、消費(fèi)者的深度融合，一切都在發(fā)生翻天覆地的變化：

一方面，企業(yè)獲取消費(fèi)者信息的渠道更加簡(jiǎn)單快捷，得以更快地了解消費(fèi)者需求及市場(chǎng)變化。另一方面，物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、3D打印、機(jī)器人、人工智能等技術(shù)的應(yīng)用，使工廠的生產(chǎn)、管理與運(yùn)營(yíng)更加智能化、自動(dòng)化。

因此，產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到大規(guī)模生產(chǎn)的流程正在因新技術(shù)的應(yīng)用而發(fā)生變化，而以下三大變化將為制造業(yè)帶來(lái)根本性的變革：大規(guī)模定制、開(kāi)放式創(chuàng)新與智能化工廠。這些變化也將是工業(yè)4.0最直接的體現(xiàn)。

大規(guī)模定制

因成本問(wèn)題，個(gè)性化和定制化一直是傳統(tǒng)制造業(yè)難以施展的領(lǐng)域。而3D打印、人工智能、新材料等新技術(shù)的融合將使企業(yè)可以規(guī)模化地生產(chǎn)個(gè)性化定制產(chǎn)品。

據(jù)預(yù)測(cè)，人工智能只需將自動(dòng)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)向自定義配置產(chǎn)品，即可滿(mǎn)足不同消費(fèi)者的多樣化需求。

3D打印將使得我們直接從設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)到生產(chǎn)，并具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，得以加速數(shù)量級(jí)生產(chǎn)。3D打印也將成為大規(guī)模定制化生產(chǎn)的最大驅(qū)動(dòng)力，而通過(guò)結(jié)合大量的消費(fèi)者數(shù)據(jù)以及人工智能技術(shù)，定制化產(chǎn)品可以快速滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。

目前，該技術(shù)正處于指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年，增材制造 （俗稱(chēng)3D打?。┬袠I(yè)市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)至近52億美元，價(jià)格在5000美元以?xún)?nèi)的3D打印機(jī)在全球銷(xiāo)量超過(guò)25萬(wàn)臺(tái)。據(jù)IDC預(yù)測(cè)，到2021年，全球3D打印行業(yè)的支出將達(dá)到近200億美元。

通過(guò)這一技術(shù)，并借助新的設(shè)計(jì)軟件，我們可以定制符合解剖學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)用支架、個(gè)性化牙科產(chǎn)品、改裝飛機(jī)和汽車(chē)零部件，并可以制造諸如傳感器、藥物輸送系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室芯片應(yīng)用領(lǐng)域的微型產(chǎn)品。

去年，Adidas與3D打印公司Carbon 3D合作推出了3D打印運(yùn)動(dòng)鞋，將運(yùn)動(dòng)員特定的數(shù)據(jù)和個(gè)人緩沖偏好通過(guò)3D打印技術(shù)融入到運(yùn)動(dòng)鞋中。通過(guò)數(shù)字光合成 （DLS）3D打印技術(shù)，Carbon 3D公司創(chuàng)紀(jì)錄地從液體材料中打印成品鞋，并很好的控制鞋子的彈性、比強(qiáng)度及其它產(chǎn)品屬性。更厲害的是，這一新的工藝能夠最大限度地減少設(shè)計(jì)流程和原型設(shè)計(jì)時(shí)間，從而直接進(jìn)行生產(chǎn)，將產(chǎn)品生產(chǎn)周期縮短多達(dá)9倍。

3D打印的應(yīng)用，不僅僅局限在小型商品制造上。2018年4月，荷蘭3D打印公司MX3D完成了世界首座3D打印鋼制橋梁，并即將安裝在阿姆斯特丹。MX3D公司使用的六軸機(jī)器人手臂可以在空中從任何方向進(jìn)行打印。這種多軸打印技術(shù)幾乎完全消除了傳統(tǒng)3D打印所需的某種物體支撐，為未來(lái)的新結(jié)構(gòu)打印開(kāi)辟了新的方向。

然而，3D打印技術(shù)并非該40米長(zhǎng)的橋梁的唯一新技術(shù)。為確保這座橋梁的安全性和優(yōu)化性能，3D打印鋼結(jié)構(gòu)還配備了一系列傳感器，可以監(jiān)控自己的健康狀況，記錄下走過(guò)它的人數(shù)和速度，并測(cè)量空氣中污染物等數(shù)據(jù)，還能將收集的數(shù)據(jù)創(chuàng)建成一個(gè)數(shù)字橋梁模型，為以后的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。

3D打印的應(yīng)用還遠(yuǎn)不止于此。在一個(gè)更微型的領(lǐng)域，也就是電子領(lǐng)域，3D打印同樣在開(kāi)啟一個(gè)定制化和按需電子的新時(shí)代。過(guò)去，電子產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)，需要手動(dòng)嵌入電路。然而，通過(guò)3D打印技術(shù)，我們可以將導(dǎo)電油墨直接在產(chǎn)品中打印成電路，一次就可以完成。例如，以色列電子3D打印公司Nano Dimension和美國(guó)3D打印公司Voxel8等初創(chuàng)公司正在使用導(dǎo)電油墨來(lái)打印電路。

通過(guò)3D打印技術(shù)打印出來(lái)的電路熱穩(wěn)定性高，厚度僅有幾微米，所以不斷發(fā)展的導(dǎo)電油墨有可能為硬件生產(chǎn)帶來(lái)革命性變化。

總之，3D打印拋棄了冗長(zhǎng)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、多階段原型設(shè)計(jì)、昂貴的工具和統(tǒng)一化的生產(chǎn)，從而可以大幅度降低生產(chǎn)成本，并將徹底改變傳統(tǒng)工業(yè)制造的生產(chǎn)流程。

開(kāi)放式創(chuàng)新

傳統(tǒng)制造企業(yè)一般都遠(yuǎn)離都市，在設(shè)計(jì)和研發(fā)產(chǎn)品方面費(fèi)時(shí)耗力，且為了安全起見(jiàn)，只能在企業(yè)內(nèi)部自行研發(fā)。而隨著創(chuàng)新工廠、孵化器、制造設(shè)備實(shí)驗(yàn)室的興起，城市正在成為傳統(tǒng)制造業(yè)的創(chuàng)新來(lái)源。無(wú)論是內(nèi)部研發(fā)還是外包，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到生產(chǎn)技術(shù)，任何人都可以介入其中并參與發(fā)明。

在過(guò)去，我們談?wù)?“開(kāi)放式創(chuàng)新”已經(jīng)很多年，不少企業(yè)也已經(jīng)通過(guò)這一模式獲得了可觀的成果。但受制于技術(shù)、社區(qū)等限制，開(kāi)放式創(chuàng)新并未在更大范圍實(shí)現(xiàn)。而現(xiàn)在，真正的 “開(kāi)放式創(chuàng)新”正在到來(lái)。

在制造業(yè)中，當(dāng)可訪問(wèn)的用戶(hù)界面出現(xiàn)時(shí)，借助類(lèi)CAD設(shè)計(jì)軟件和易用的界面，每個(gè)人都可以成為發(fā)明家和技術(shù)創(chuàng)新者。

硬件工作室和企業(yè)孵化器的新生態(tài)系統(tǒng)正在城市中心興起。諸如初創(chuàng)企業(yè)孵化器Playground Global和開(kāi)源3D打印公司LulzBot之類(lèi)的公司正在不斷壯大，為自由創(chuàng)業(yè)者提供了優(yōu)越的物理辦公空間和制造能力。

2015年，Android之父Andy Rubin聯(lián)合其他人成立了Playground Global孵化器，為初創(chuàng)企業(yè)提供包括業(yè)務(wù)、辦公空間以及機(jī)械設(shè)計(jì)的各種指導(dǎo)，并幫助他們解決材料、工程、制造、供應(yīng)鏈管理、分銷(xiāo)等問(wèn)題。

通過(guò)提供內(nèi)部專(zhuān)業(yè)技術(shù)來(lái)交換小型股權(quán)，硬件生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室Flex Lab IX幫助數(shù)十家創(chuàng)業(yè)公司構(gòu)建變革性技術(shù)，例如無(wú)人機(jī)系統(tǒng)、超薄電池、智能頭帶等。正如美國(guó)工業(yè)設(shè)備制造和工藝設(shè)計(jì)及測(cè)試供應(yīng)商Bestronics的首席執(zhí)行官Nat Mani所說(shuō)： “我們?cè)絹?lái)越多地尋求與初創(chuàng)企業(yè)的合作，將其作為業(yè)務(wù)發(fā)展的一種形式，同時(shí)也要保持在新技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。這些初創(chuàng)公司經(jīng)常在嘗試我們需要知道的新事物?！泵绹?guó)3D打印解決方案提供商3D Systems和工業(yè)級(jí)3D打印解決方案供應(yīng)商Stratasys等行業(yè)巨頭也正在接受分布式制造這一新模式。憑借其連續(xù)構(gòu)建3D演示器，Stratasys提供了一個(gè)模塊化3D打印機(jī)墻，所有打印機(jī)均通過(guò)云端工作并進(jìn)行集中控制。

風(fēng)險(xiǎn)投資基金B(yǎng)olt則為那些進(jìn)入Y Combinator和其他加速器的初創(chuàng)公司提供原型設(shè)備實(shí)驗(yàn)室，并幫助他們開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。Kickstarter等眾籌平臺(tái)也為創(chuàng)業(yè)者提供了初始融資服務(wù)。隨著分布式制造和自動(dòng)化制造成本的下降，未來(lái)開(kāi)放式創(chuàng)新設(shè)計(jì)與研發(fā)將出現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，而傳統(tǒng)制造商的產(chǎn)品研發(fā)模式將受到非常大的挑戰(zhàn)。

智能化工廠

對(duì)于一家成熟的制造企業(yè)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、協(xié)作機(jī)器人和Li-Fi將是走向未來(lái)制造業(yè)必須具備的前沿技術(shù)。

智能工廠也將成為未來(lái)制造業(yè)的終極方向。隨著新型傳感器、機(jī)器學(xué)習(xí)工具和檢測(cè)無(wú)人機(jī)等技術(shù)的應(yīng)用，工廠設(shè)備不僅能夠立即自主糾正錯(cuò)誤，生產(chǎn)過(guò)程也能實(shí)時(shí)滿(mǎn)足不斷變化的需求。

作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)，美國(guó)公司TEConnectivity設(shè)計(jì)和制造高度精密的連接器、傳感器和電子元件。從醫(yī)療行業(yè)到家電行業(yè)，從航空航天到國(guó)防等領(lǐng)域，TE的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了機(jī)器間的通信。

而在更偏僻的地區(qū)，機(jī)器對(duì)機(jī)器的通信尤為重要，因其可以允許在智能機(jī)器人之間分散傳輸數(shù)據(jù)。例如，區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)初創(chuàng)公司Filament正在利用低功耗工業(yè)傳感器和區(qū)塊鏈來(lái)推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展。

物聯(lián)網(wǎng)通訊初創(chuàng)公司Kepler Communications則利用小型的衛(wèi)星矩陣取代傳統(tǒng)衛(wèi)星通訊，為偏遠(yuǎn)地區(qū)的工廠實(shí)現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的通訊。

智能傳感器可以轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與制造設(shè)備間的通信，并在性能或安全受到威脅時(shí)關(guān)閉設(shè)備。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)也使得我們能夠分析生產(chǎn)配額，進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)并遠(yuǎn)程輸入設(shè)計(jì)。

對(duì)于大型制造商而言，產(chǎn)品召回是最昂貴最可怕的災(zāi)難，而人工智能的應(yīng)用，則可以將產(chǎn)品召回的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

硅谷人工智能初創(chuàng)公司Landing.ai開(kāi)發(fā)的用于生產(chǎn)線的機(jī)器視覺(jué)工具，可以發(fā)現(xiàn)人眼無(wú)法看到的電路板和產(chǎn)品中的細(xì)微缺陷。通過(guò)精確的現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量分析，即時(shí)反饋錯(cuò)誤，與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相連的機(jī)器可以在發(fā)生任何損失之前暫停生產(chǎn)，從而避免進(jìn)一步的損失。

Instrumental、Maana和Augury等創(chuàng)業(yè)公司通過(guò)收集和分析由物聯(lián)網(wǎng)生成的海量數(shù)據(jù)，使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)檢測(cè)設(shè)備和機(jī)器的異常與風(fēng)險(xiǎn)，并提前預(yù)警。美國(guó)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案提供商Augury開(kāi)發(fā)了一套完整的傳感器套件，通過(guò)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)分析機(jī)器的聲音變化，以此發(fā)現(xiàn)機(jī)器的異常情況。

隨著云連接、協(xié)作機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自主管理，未來(lái)的工廠將實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化運(yùn)行。

美國(guó)無(wú)人值守3D打印工廠Voodoo Manufacturing擁有世界首個(gè)功能齊全的、機(jī)器人操作的3D打印機(jī)群——Project Skywalker。這一系統(tǒng)通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件，將9臺(tái)3D打印機(jī)和一個(gè)機(jī)械臂組合在一起。

該系統(tǒng)可以自動(dòng)移除和更換一臺(tái)3D打印機(jī)的構(gòu)建板，然后繼續(xù)打印過(guò)程。而傳統(tǒng)生產(chǎn)中，移除和更換構(gòu)建板需要占用員工約15%的時(shí)間。這一系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)自動(dòng)運(yùn)行，無(wú)需人員監(jiān)控。而通過(guò)大規(guī)模部署Skywalker，其位于布魯克林的工廠產(chǎn)能提高了400%。

這樣的技術(shù)與模式將徹底打亂傳統(tǒng)制造業(yè)的生產(chǎn)模式。

3D打印機(jī)、協(xié)作式3D打印機(jī)群、聯(lián)合機(jī)器人、管理3D打印機(jī)的機(jī)器人、構(gòu)建機(jī)器人的3D打印機(jī)，所有的這些只不過(guò)是一個(gè)開(kāi)始。

在未來(lái)，傳統(tǒng)制造的物理限制和空間限制將不再那么重要，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)將更加扁平化、更加開(kāi)放。在此背景下，制造業(yè)巨頭和新興創(chuàng)業(yè)公司都將擁有前所未有的發(fā)展機(jī)遇。■