大纖維與編材制造：一場(chǎng)基于纖維材料的工業(yè)革命

王健

工業(yè)革命內(nèi)在邏輯的不同視角

前幾年大家談工業(yè)4.0和智能制造比較多，在回顧歷次工業(yè)革命時(shí)，通常從制造技術(shù)進(jìn)步和管理流程變革兩個(gè)角度來(lái)解讀。比較有意思的是中國(guó)工程院原院長(zhǎng)周濟(jì)總結(jié)的HCPS（人-Cyber-物理系統(tǒng)），把人納入物理世界和Cyber世界的互動(dòng)之中；這兩年大家關(guān)注工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，主要從數(shù)字驅(qū)動(dòng)和商業(yè)模式演變的角度來(lái)闡釋，但我們始終不能忘記GE工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)白皮書(shū)看問(wèn)題的角度，即探索和重新定義人和機(jī)器的邊界；最近熱點(diǎn)轉(zhuǎn)移到人工智能（AI）和智能機(jī)器人上來(lái)了，看問(wèn)題的角度多是技術(shù)落地和社會(huì)倫理。盡管AI和機(jī)器人各自發(fā)展了數(shù)十年，強(qiáng)人工智能和能夠理解情感和人類智慧的機(jī)器人距離我們還十分遙遠(yuǎn)，但人們很愿意討論機(jī)器智能和人類智能的關(guān)系問(wèn)題。不久前看一篇國(guó)際紡織機(jī)械展覽會(huì)（ITMA）會(huì)刊上關(guān)于紡織工業(yè)可持續(xù)創(chuàng)新方面的訪談文章，受訪者提了一個(gè)“3P”的概念，即無(wú)論采用何種技術(shù)，無(wú)論過(guò)程如何演進(jìn)，我們都在尋求人（People）、地球（Planet）、利潤(rùn)（Profit）三者之間的更高水平的平衡。看起來(lái)，無(wú)論世道如何演變，我們都離不開(kāi)對(duì)人的關(guān)注，離不開(kāi)人和人造系統(tǒng)的關(guān)系。

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(cè)，比如AI、能源、生物、信息和材料領(lǐng)域。最近有一篇文章介紹卡耐基梅隆大學(xué)的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出了新的非侵入腦機(jī)接口技術(shù)，可以僅僅依靠頭戴式傳感器采集大腦皮層的腦電波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)由人的意識(shí)控制機(jī)器臂跟蹤電腦屏幕上隨機(jī)出現(xiàn)的小球。據(jù)稱該技術(shù)的發(fā)展將引發(fā)人機(jī)交互領(lǐng)域的新革命，帶來(lái)健康養(yǎng)老等領(lǐng)域的技術(shù)飛躍。這樣的“黑科技”實(shí)際上是柔性可穿戴智能傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和信息通信技術(shù)的交叉融合。所以更加客觀的觀點(diǎn)其實(shí)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。

大纖維：一場(chǎng)跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的工業(yè)革命

2014年底，一群主要來(lái)自上海和北京，由紡織工程、工業(yè)自動(dòng)化、半導(dǎo)體、鋼鐵、科技情報(bào)和媒體等跨界背景的專家自發(fā)組建的工作組，在智能制造和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的大背景下，開(kāi)始關(guān)注德國(guó)未來(lái)紡織（FutureTEX）計(jì)劃。2016年4月，中國(guó)科技自動(dòng)化聯(lián)盟紡織未來(lái)工作組正式成立，同時(shí)開(kāi)始跟蹤美國(guó)革命性纖維與織物制造創(chuàng)新中心（RFT-MII）的運(yùn)作和研究領(lǐng)域。工作組專家們反復(fù)論證后意識(shí)到：纖維，作為一種長(zhǎng)徑比超過(guò)一定數(shù)值的材料，其涵蓋范圍非常廣泛，而基于下一代纖維的科技革命和由此推動(dòng)的下一輪產(chǎn)業(yè)革命初現(xiàn)端倪，其范圍已大大突破了纖維的傳統(tǒng)應(yīng)用行業(yè)——紡織行業(yè)，將在更多傳統(tǒng)和新興行業(yè)里面起到巨大的推動(dòng)作用。2016年7月，專家們正式在世界范圍內(nèi)首次提出“大纖維”這一創(chuàng)新概念，同時(shí)將工作組更名為大纖維產(chǎn)業(yè)工作組。從此開(kāi)始了發(fā)現(xiàn)、推動(dòng)、編織大纖維產(chǎn)業(yè)的歷程。

大纖維是基于材料、信息、機(jī)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(duì)眾多產(chǎn)業(yè)集群起到高滲透性、顛覆性、革命性提升效果的新一代纖維。一個(gè)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(diǎn)，能夠感知、計(jì)算、儲(chǔ)能、通信、執(zhí)行的新型智能纖維家族已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)并走向市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)、東華大學(xué)等高校和研究機(jī)構(gòu)均有類似技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)，有的還注冊(cè)了公司進(jìn)行小規(guī)模制造和產(chǎn)業(yè)化。

這方面的例子有很多，如香港理工大學(xué)陶肖明團(tuán)隊(duì)從事的基于纖維的智能可穿戴技術(shù)開(kāi)發(fā)，致力于通過(guò)纖維解決發(fā)電、傳感和通信問(wèn)題，下一代可穿戴設(shè)備將在高性能織物里面集成這些功能，從而實(shí)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(tuán)隊(duì)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(lái)新的具備超級(jí)性能的纖維品種，從而取代被日本東麗壟斷的碳纖維。蜘蛛絲幾十年來(lái)用傳統(tǒng)化學(xué)合成理論和方法一直無(wú)法制造出來(lái)，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(wèn)世以來(lái)最重要的紡織材料進(jìn)步。上海長(zhǎng)勝集團(tuán)用冷轉(zhuǎn)?。╟ooltrans）技術(shù)精確定量以印代染，顛覆了幾千年來(lái)大量使用稀釋染液的印染工藝，實(shí)現(xiàn)基本無(wú)水耗無(wú)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)展智能電子織物產(chǎn)業(yè)化的平臺(tái)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(shì)。鋼材的主要特征是強(qiáng)度高、塑性好、韌性好、耐沖擊、性能穩(wěn)定、加工性好等，但也有易銹蝕、維護(hù)費(fèi)用高、耐火性差、生產(chǎn)能耗大等缺點(diǎn)。在高性能鋼材的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)應(yīng)用領(lǐng)域，如汽車和飛機(jī)制造等，已經(jīng)有越來(lái)越高的比例將使用基于纖維的復(fù)合材料以達(dá)到更高的柔韌性、輕量化和高能效。2018年底曾有文章報(bào)道了一個(gè)智能碳纖維汽車車身的實(shí)例，既輕量化又能根據(jù)風(fēng)阻變形。碳纖維車身用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(yáng)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(jià)比大大提高。這是很典型的大纖維部分取代傳統(tǒng)材料的應(yīng)用案例。

更進(jìn)一步，智能、超能、綠色特征的進(jìn)一步交叉融合將催生許多完全嶄新的纖維品種，其中相當(dāng)大的比例最終將轉(zhuǎn)化為巨大的商業(yè)價(jià)值，給下游許多產(chǎn)業(yè)帶來(lái)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(gè)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)集群叫作大纖維產(chǎn)業(yè)。

大纖維具有與生俱來(lái)的跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的交叉特性。其理論基礎(chǔ)和技術(shù)路線也呈現(xiàn)百花齊放的勃勃生機(jī)。如在結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論指導(dǎo)下，采用基于光纖的多材料、多結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多功能智能纖維；在納米理論指導(dǎo)下，發(fā)展基于碳納米管、石墨烯的高功能纖維；在高分子設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)下，從分子結(jié)構(gòu)上開(kāi)發(fā)超高性能纖維；在合成生物學(xué)理論指導(dǎo)下，通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)創(chuàng)造高性能生物纖維；等等。

正如上文談到的，歷次工業(yè)革命實(shí)際上都離不開(kāi)對(duì)人和人造系統(tǒng)關(guān)系的重新定義，離不開(kāi)一個(gè)關(guān)鍵詞：以人為本。大家都知道，人體70%以上的組織由纖維構(gòu)成。擁有生物相容性的綠色纖維疊加了智能和多功能要素之后，所形成的新一代智能可穿戴系統(tǒng)或人體植入式系統(tǒng)，可以以最安全、最輕便、最有效的方式采集人體數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)人體健康、施加有效影響并幫助人提升健康和運(yùn)動(dòng)水平?；谒杉臄?shù)據(jù)形成的“數(shù)字人”，將成為人工智能社會(huì)里最重要、最大量的資產(chǎn)之一。只有到了這個(gè)階段，社會(huì)數(shù)字化才真正實(shí)現(xiàn)，而大纖維將成為人體世界、實(shí)體物理世界和虛擬信息世界之間最佳的橋梁。所以說(shuō)大纖維的出現(xiàn)重新定義了人機(jī)邊界或者HCPS的邊界，一點(diǎn)都不為過(guò)。

編材制造：從原子到超系統(tǒng)的多層次制造技術(shù)

美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼提出過(guò)一個(gè)著名問(wèn)題：“假如原子能夠按照我們?cè)O(shè)想的方式來(lái)排列，那么材料將會(huì)有怎樣的性質(zhì)？”他的問(wèn)題啟示高分子科學(xué)家要走出傳統(tǒng)高分子的范疇，將可控的分子不均一性及其相關(guān)的精確結(jié)構(gòu)引入合成高分子，拓展合成高分子的基本結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更為精密的功能化。在美國(guó)工程院院士程正迪等撰寫(xiě)的“巨型分子：化學(xué)、物理學(xué)和生物科學(xué)的交匯”一文中提出“From structure to function”的思想，提示我們要從結(jié)構(gòu)發(fā)展到關(guān)于功能性的考量。例如，紗布過(guò)去只是用于包扎傷口，但用大纖維來(lái)開(kāi)發(fā)的智能紗布除了包扎傷口之外，還有消炎、治療功能，并能與遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)連接在線監(jiān)測(cè)病人狀況。

上述兩位科學(xué)家的思想告訴我們，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(shí)向宏觀擴(kuò)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，它們是：原子-分子（鏈）-纖維-織物-器件-系統(tǒng)-超系統(tǒng)。過(guò)去我們較多從纖維的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(lái)設(shè)計(jì)纖維結(jié)構(gòu)，必要時(shí)可以多組分、多結(jié)構(gòu)融合獲取所需要的功能。

位于德國(guó)的歐洲最大的紡織研發(fā)中心——德國(guó)紡織和纖維研究所（DITF）——提出其研究范圍覆蓋從分子到產(chǎn)品的完整紡織產(chǎn)品和價(jià)值鏈，其技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力體現(xiàn)在從高分子合成、纖維和紗線、織物和結(jié)構(gòu)、功能化直至工業(yè)4.0的多個(gè)層次。德累斯頓技術(shù)大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院下設(shè)的紡織機(jī)械與高性能材料技術(shù)研究所（ITM）更進(jìn)一步將研究范圍延伸到從原子到成品，其教學(xué)和研究的范疇分為四個(gè)層次：仿真和材料建模、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)和機(jī)械裝備開(kāi)發(fā)。在筆者和這兩家單位的專家交流的過(guò)程中，他們普遍認(rèn)為，其研究范圍早已經(jīng)超出了傳統(tǒng)紡織的范疇，也不僅僅是技術(shù)性紡織品和非織造產(chǎn)品，屬于更加跨領(lǐng)域的高科技范疇。當(dāng)他們聽(tīng)說(shuō)大纖維這一概念時(shí)，無(wú)一例外地表示認(rèn)同。

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(gè)層面進(jìn)行制造活動(dòng)。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)；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(jī)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)、涂層、電子元件集成、傳感和執(zhí)行特性的開(kāi)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(dòng)化與機(jī)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。

可見(jiàn)，大纖維對(duì)沿襲了幾千年的紡織及其制造工藝無(wú)疑具有顛覆性意義，如多材料智能纖維可用紡紗手段制造，多功能織物可以用織造和印刷手段制造，高性能織物可以用復(fù)合和混合手段制造。大纖維所對(duì)應(yīng)的制造工藝技術(shù)體系，不僅容納了紡織工程常見(jiàn)的等材制造方法，常規(guī)材料加工所用的減材制造方法，以及以3D打印和機(jī)器人為代表的增材制造和數(shù)字建造方法，還有許多非常規(guī)的創(chuàng)新的制造工藝和方法有待我們進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)。

可以這樣說(shuō)，基于大纖維的從原子到超系統(tǒng)的制造技術(shù)體系極大豐富了我們的制造手段，可望成為繼以機(jī)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(jià)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(gè)“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(duì)象自動(dòng)化和智能化的屬性。

結(jié)語(yǔ)

大纖維面向未來(lái)智能社會(huì)的發(fā)展需求，以下一代智能、超能、綠色纖維為特征，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(duì)諸多戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)具有強(qiáng)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(jī)器人等。我們知道摩爾定律支撐了半導(dǎo)體工業(yè)最近50年的發(fā)展，而按照麻省理工學(xué)院校長(zhǎng)拉斐爾·賴夫（Rafael Reif）的說(shuō)法：“基于纖維的半導(dǎo)體（與硅基半導(dǎo)體完全不同）的集成度正在按照每12個(gè)月翻一番的新摩爾定律增長(zhǎng)，這足以創(chuàng)造一個(gè)新行業(yè)！”

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)一步可基于智能纖維高效、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(jī)器人和裝備。對(duì)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(cè)試和驗(yàn)證裝備的開(kāi)發(fā)，是大纖維最終走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的必由之路，同時(shí)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”。

眾所周知，現(xiàn)代工業(yè)體系有兩個(gè)最基本的立足點(diǎn)，一個(gè)是材料，另一個(gè)是精密制造與加工。中國(guó)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈盡管相對(duì)比較完整，但在這兩個(gè)立足點(diǎn)上還十分薄弱，長(zhǎng)期依靠跟隨策略難以解決根本問(wèn)題，必須開(kāi)辟新路。而大纖維及編材制造的興起，預(yù)示著又一場(chǎng)新的、由材料突破和制造突破雙輪驅(qū)動(dòng)的工業(yè)革命即將來(lái)臨！抓住這兩個(gè)戰(zhàn)略支點(diǎn)，就抓住了建立強(qiáng)大現(xiàn)代工業(yè)的牛鼻子，就有可能為我們的制造強(qiáng)國(guó)夢(mèng)帶來(lái)全局性的突破！