一場以纖維為名的新工業(yè)革命

基于大纖維的新制造技術(shù)體系極大豐富了制造手段，有望成為具有極高價值的制造模式

近一段時間以來，關(guān)于下一次工業(yè)革命所發(fā)生的領(lǐng)域，已經(jīng)有很多不同的預(yù)測，比如AI、能源、生物、信息和材料領(lǐng)域。更加客觀的觀點其實是，下一次工業(yè)革命是充分跨界的，是由不同領(lǐng)域的科技突破互相促進(jìn)、互相融合之后共同激發(fā)的，而新材料及其制造技術(shù)的重大突破是所有這些領(lǐng)域發(fā)展的共同使能要素。

一場跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的工業(yè)革命

大纖維是基于材料、信息、機電、生物、能源等學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)突破與交叉融合，以“智能，超能，綠色”為特征，具有多功能、多結(jié)構(gòu)、多組分特性，對眾多產(chǎn)業(yè)起到高滲透性、顛覆性、革命性提升效果的新一代纖維。例如，一個以先進(jìn)纖維材料為基礎(chǔ)，具備多組分、多結(jié)構(gòu)和多功能特點，能夠感知、計算、儲能、通信、執(zhí)行的新型智能纖維家族已經(jīng)開始出現(xiàn)并走向市場，國內(nèi)復(fù)旦、浙大、東華等高校和研究機構(gòu)均有類似技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)，有的還注冊了公司進(jìn)行小規(guī)模制造和產(chǎn)業(yè)化。香港理工大學(xué)陶肖明團隊從事的基于纖維的智能可穿戴技術(shù)開發(fā)，致力于通過纖維解決發(fā)電、傳感和通信問題，新研發(fā)的一代可穿戴設(shè)備將在高性能織物里面集成這些功能，從而實現(xiàn)從外掛到內(nèi)嵌再到內(nèi)生的跨越。中科院蘇州納米所李清文團隊從事的基于碳納米管的高性能納米纖維研發(fā)，有可能為我們帶來新的具備超級性能的纖維品種，從而取代被日本東麗壟斷的碳纖維。

這方面的例子還有很多，蜘蛛絲幾十年來用傳統(tǒng)化學(xué)合成理論和方法一直無法制造出來，現(xiàn)在采用生物合成理論，用蜘蛛基因調(diào)控家蠶和細(xì)菌的蛋白質(zhì)分子，已經(jīng)能量產(chǎn)高性能蜘蛛絲，這被認(rèn)為是自尼龍問世以來最重要的紡織材料進(jìn)步。上海長勝集團采用冷轉(zhuǎn)印（cooltrans）技術(shù)精確定量以印代染，顛覆了幾千年來大量使用稀釋染液的印染工藝，基本實現(xiàn)無水耗無排放印染，而且可直接在織物上印染高精密功能線條和圖案，成為發(fā)展智能化電子織物產(chǎn)業(yè)化的平臺級技術(shù)。

在柔韌性、輕量化、多功能、高性能、綠色化、智能化等方面，大纖維相比傳統(tǒng)材料如鋼材、塑料等有明顯的差異化優(yōu)勢。在高性能鋼材的傳統(tǒng)優(yōu)勢應(yīng)用領(lǐng)域如汽車和飛機制造等，已經(jīng)有越來越高的比例使用了基于纖維的復(fù)合材料以達(dá)到更高的柔韌性、輕量化和高能效。碳纖維汽車的車身用3D織造（完全省掉了裁剪，沖壓，焊接等金屬加工工序）復(fù)合制成，又在織物中混合了具有太陽能發(fā)電功能的纖維，可取代部分電池。多功能碳纖維的采用使整車性價比大大提高。這是很典型的大纖維取代傳統(tǒng)材料的應(yīng)用案例。

更進(jìn)一步，智能、超能、綠色特征的交叉融合將誕生許多完全嶄新的纖維品種，其中相當(dāng)比例最終將轉(zhuǎn)化為巨大的商業(yè)價值，給下游許多產(chǎn)業(yè)帶來深刻的影響并從根本上改變這些產(chǎn)業(yè)的生態(tài)，從而誕生一個龐大的新興產(chǎn)業(yè)集群。我們把大纖維相關(guān)技術(shù)/產(chǎn)品以及圍繞下游豐富應(yīng)用所形成的新產(chǎn)業(yè)集群叫做大纖維產(chǎn)業(yè)。

從原子到超系統(tǒng)的多層次創(chuàng)新制造技術(shù)

在物理層次上，關(guān)于大纖維的討論絕不應(yīng)僅僅著眼于在纖維和織物這樣的中觀層面上進(jìn)行，還應(yīng)該向微觀進(jìn)發(fā)下探到分子和原子的基本層次，同時向宏觀擴展上升到器件和系統(tǒng)、甚至超系統(tǒng)（系統(tǒng)之系統(tǒng)）的層次。因此大纖維的物理層次包括七層，他們是：原子-分子（鏈）-纖維-織物-器件-系統(tǒng)-超系統(tǒng)（系統(tǒng)之系統(tǒng)）。過去我們較多從纖維的結(jié)構(gòu)特點和彼此之間的聯(lián)結(jié)關(guān)系出發(fā)指向具體的功能，現(xiàn)在則須更多從需求出發(fā)，確定功能性，再來設(shè)計纖維結(jié)構(gòu)，必要時可以多組分、多結(jié)構(gòu)融合獲取所需要的功能。

大纖維兼具材料技術(shù)革命與制造技術(shù)革命的雙重意義。它充分利用現(xiàn)有的紡織和其他先進(jìn)制造技術(shù)并不斷發(fā)展出新的制造技術(shù)，在前述從原子到超系統(tǒng)的各個層面進(jìn)行制造活動。如在原子和分子層面的基因編輯技術(shù)或生物合成技術(shù)，雜化以及各類聚合物分子合成技術(shù)（纖維和基質(zhì)用聚合物、碳纖維前體、陶瓷纖維、纖維素和生物高聚物等）；在纖維和紗線層面，有濕式/干式紡技術(shù)、熔融紡技術(shù)、雙組分紡技術(shù)、變形和拉伸、非織造技術(shù)、短纖維技術(shù)和精密卷繞技術(shù)等；在織物和結(jié)構(gòu)層面，有間隔技術(shù)、編織、編帶、機織、針織、編織連接、組織工程、膜技術(shù)、編織擠拉、結(jié)構(gòu)卷繞技術(shù)等；在功能化和器件層面，有溶膠-凝膠技術(shù)、染整技術(shù)、數(shù)字印刷技術(shù)、納米技術(shù)、物理和化學(xué)方法、涂層、電子元件集成、傳感和執(zhí)行特性的開發(fā)等；在智能系統(tǒng)和超系統(tǒng)層面，有建模仿真、虛擬化、自動化與機器人、3D打?。ㄔ霾闹圃欤?、數(shù)字化、智能化、綠色和可持續(xù)制造技術(shù)等等。

可以這樣說，基于大纖維的從原子到超系統(tǒng)的新制造技術(shù)體系極大豐富了我們的制造手段，可望成為繼以機床為代表的減材制造和以3D打印為代表的增材制造之后的，又一類有著重要意義和極高價值的制造模式，大纖維產(chǎn)業(yè)工作組的專家們首次創(chuàng)新地稱之為“編材制造”。這個“編”字，既反映了傳統(tǒng)意義上的纖維和紗線層面上的紡制和編織，更反映了在分子甚至原子層面的編輯和剪裁；既反映了在織物和器件層面上的集成和結(jié)構(gòu)化，更反映了在系統(tǒng)和超系統(tǒng)層面上的多維數(shù)字化編程而賦予對象自動化和智能化的屬性。

抓住建立現(xiàn)代工業(yè)的牛鼻子

大纖維面向未來智能社會的發(fā)展需求，以下一代智能、綠色、超能纖維為特征，展現(xiàn)了從原子到產(chǎn)品、再到系統(tǒng)和超系統(tǒng)的廣大縱深。其應(yīng)用行業(yè)不僅覆蓋傳統(tǒng)領(lǐng)域如技術(shù)性紡織品、能源、輕量化構(gòu)造、醫(yī)療、建筑和土木工程，還對諸多戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)具有強大的促進(jìn)作用，如物聯(lián)網(wǎng)、半導(dǎo)體、汽車、航空航天、智能機器人等。

與大纖維相關(guān)的以編材制造命名的新制造技術(shù)體系，不僅涵蓋了常規(guī)的等材制造、減材制造和新興的數(shù)字化增材制造技術(shù)，而且包含了大量創(chuàng)新的尖端的制造工藝和技術(shù)。如采用編材制造技術(shù)制造多功能、多結(jié)構(gòu)的智能纖維，進(jìn)一步開發(fā)基于智能纖維高效、連續(xù)、低成本地制造各種功能的智能電子信息系統(tǒng)、智能機器人和裝備。對編材制造工藝技術(shù)的研究和掌握，以及相應(yīng)研發(fā)、制造、測試和驗證裝備的開發(fā)，是大纖維最終走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的必由之路，同時也是一片新的制造業(yè)藍(lán)海。正所謂“一代材料、一代工藝、一代裝備?！?/p>

眾所周知，現(xiàn)代工業(yè)體系有兩個最基本的立足點，一個是材料，另一個是精密制造與加工。中國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈盡管相對比較完整，但在這兩個立足點上十分薄弱，長期依靠跟隨策略難以解決根本問題，必須開辟新路。而大纖維及編材制造的興起，預(yù)示著又一場新的、由材料突破和制造突破雙輪驅(qū)動的工業(yè)革命即將來臨，抓住這兩個戰(zhàn)略支點，就抓住了建立強大現(xiàn)代工業(yè)的牛鼻子，就有可能為我們的制造強國夢帶來全局性的突破。