極限工程—產(chǎn)品開發(fā)和制造中的極化

Andrew Kusiak

Department of Industrial and Systems Engineering, The University of Iowa, Iowa City, IA 52242-1527, USA

1.引言

產(chǎn)品和解決方案通常是根據(jù)合理的市場成本進(jìn)行開發(fā)，以滿足客戶的需求。可承受風(fēng)險(xiǎn)的新應(yīng)用大多采用新技術(shù)。隨著時(shí)間的推移，某些應(yīng)用領(lǐng)域的新技術(shù)已經(jīng)飽和。這種市場現(xiàn)象和技術(shù)本身的進(jìn)步會推動該應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)的新發(fā)展（這種技術(shù)新發(fā)展在一般情況下容易被忽略）。行業(yè)需要有所準(zhǔn)備，以應(yīng)對偏離正常運(yùn)行時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。一些新應(yīng)用涉及本文所討論的技術(shù)的極限發(fā)展。

作為一門學(xué)科，工程學(xué)與技術(shù)緊密結(jié)合。工程活動的兩個(gè)領(lǐng)域，即產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造，將用于假設(shè)新興極限——集成極限和開放極限——的特征（圖1）。

2.集成極限

鈣鈦礦太陽能電池是集成極限的一個(gè)例子[1]。由于鈣鈦礦太陽能電池與光伏（PV）太陽能電池相比具有更低的成本且能產(chǎn)生更多能量，因此幾家公司正在開展將鈣鈦礦型太陽能電池板推向市場的研發(fā)項(xiàng)目。盡管沒有充分的證據(jù)表明鈣鈦礦電池比現(xiàn)有的太陽能發(fā)電機(jī)更具優(yōu)勢，但研究人員已在材料（如粉末）、制造工藝（如在增材制造中使用粉末）和太陽能電池板的設(shè)計(jì)（如分層結(jié)構(gòu)）方面開展了大量研究計(jì)劃。

3.開放極限

開放式制造企業(yè)是為生產(chǎn)產(chǎn)品而配置的實(shí)物資產(chǎn)和服務(wù)的集合。在許多情況下，實(shí)物制造資產(chǎn)（physical manufacturing asset）將以制造服務(wù)模式運(yùn)行。這些發(fā)展把競爭力的焦點(diǎn)逐漸從內(nèi)部開發(fā)的技術(shù)轉(zhuǎn)移到知識的獲取以及配置、重新配置和最佳地操作分布式服務(wù)及其實(shí)物資產(chǎn)的能力上。

最初，這兩個(gè)工程極限因素將占所有產(chǎn)品開發(fā)和制造活動的一小部分（圖1）。大多數(shù)產(chǎn)品開發(fā)和制造活動遵循傳統(tǒng)和混合（集成度和開放極限）的方法規(guī)律。但是，隨著兩個(gè)極值的擴(kuò)大，圖1中部區(qū)域會縮小。

4.為什么要進(jìn)行極限工程？

迄今為止，工程技術(shù)的進(jìn)步，包括工程設(shè)計(jì)和制造，在很大程度上是不斷發(fā)展的，新技術(shù)的進(jìn)步在未來幾年會給工程設(shè)計(jì)和制造帶來更大的變化。新材料（如能夠?qū)C(jī)械力、磁場或其他刺激產(chǎn)生反應(yīng)的建筑材料）、制造技術(shù)（如4D打印）、人工智能、工業(yè)數(shù)字化以及日益活躍的市場促進(jìn)了產(chǎn)品開發(fā)和制造中集成和開放極限的出現(xiàn)[2]。

集成極限適用于顛覆性產(chǎn)品和技術(shù)的開發(fā)。這些產(chǎn)品和技術(shù)的新穎性會對專有技術(shù)產(chǎn)生保護(hù)。一旦到位，制造工藝的產(chǎn)能擴(kuò)張將成為滿足市場需求的主要增長方式。集成企業(yè)不會在制造云中推廣其制造服務(wù)，因?yàn)槠渲攸c(diǎn)主要是在產(chǎn)品的新穎性方面。但是，集成企業(yè)可以貢獻(xiàn)或使用制造云中的服務(wù)（如供應(yīng)或分銷）。

開放極限將被實(shí)例化為一個(gè)開放的企業(yè)，其中包括產(chǎn)品開發(fā)、制造和物流等服務(wù)，這些服務(wù)不需要企業(yè)本身擁有。開放極限源于四個(gè)現(xiàn)象：①產(chǎn)品使用時(shí)間減少；②產(chǎn)品需求變化越來越大；③企業(yè)（包括服務(wù)制造業(yè)）的服務(wù)導(dǎo)向不斷增強(qiáng)；④制造業(yè)中共享經(jīng)濟(jì)概念的普遍性[3]。壽命較短的產(chǎn)品會給制造工藝能力造成壓力，這會造成短時(shí)間內(nèi)對某一產(chǎn)品的需求增加n倍[4]。通過內(nèi)部擴(kuò)大生產(chǎn)能力來滿足這種市場條件既不可行，也不具有成本效益。但是，基于共享和服務(wù)制造的概念，快速提高生產(chǎn)能力是可行的。

表1總結(jié)了集成和開放極限的基本特征。

表1 集成和開放極限的特征

5.開放產(chǎn)品的開發(fā)與制造

在過去的幾十年中，工業(yè)界一直在完善“按設(shè)計(jì)制造”的方法。這種方法的目的是根據(jù)產(chǎn)品和組件的規(guī)格設(shè)計(jì)所需的產(chǎn)品和組件，而無需進(jìn)行設(shè)計(jì)更改。制造設(shè)計(jì)（或?qū)Ｓ弥圃欤┰硪言跇I(yè)界得到廣泛實(shí)踐。除了離散制造和裝配工藝之外，研究人員還開發(fā)了支持X-design設(shè)計(jì)的工具。

在開放制造中，許多未來產(chǎn)品會針對設(shè)計(jì)階段未知的制造過程進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)實(shí)踐將受到以下因素的影響：

（1）不斷增長的市場動態(tài)可能無法容忍建造或擴(kuò)大現(xiàn)有制造設(shè)備所需的開發(fā)時(shí)間；

（2）制造業(yè)的實(shí)物資產(chǎn)和云資產(chǎn)的可分離性；

并將得到以下方面的支持：

（3）具有設(shè)計(jì)制造工藝和工具的經(jīng)驗(yàn)；

（4）制造資源共享的概念。

一些設(shè)計(jì)將由“設(shè)計(jì)即服務(wù)”企業(yè)創(chuàng)建。服務(wù)即制造的設(shè)計(jì)是開放制造設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)例。至少有三個(gè)現(xiàn)有的工業(yè)實(shí)踐[①代工制造（如富士康制造Apple產(chǎn)品）；②分包；③外包服務(wù)]證明了工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)朝著本文假設(shè)的制造配置模型發(fā)展。

圖1.兩個(gè)極限的企業(yè)架構(gòu)。

在未來的企業(yè)中，其中一些服務(wù)可能由企業(yè)自身擁有和運(yùn)營，而其他服務(wù)可能構(gòu)成獨(dú)立的業(yè)務(wù)實(shí)體，并分布在全球范圍內(nèi)。

6.極限工程領(lǐng)域的例子

從當(dāng)前技術(shù)的局限性到不斷變化的市場和氣候條件的原因，極限工程的概念很可能會進(jìn)入工程活動的各個(gè)領(lǐng)域，包括：

（1）土木工程，因?yàn)闃O限天氣會影響建筑和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

（2）計(jì)算機(jī)工程，因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不斷擴(kuò)大及其能力不斷提高，可以模擬其反映的復(fù)雜現(xiàn)象，如極限、深度和廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

（3）環(huán)境工程，因?yàn)楹恿魉灰约八姾蛷U水處理廠的運(yùn)行會受到降雨方式變化的影響。

（4）能源，因?yàn)殡姎庠O(shè)備、發(fā)電機(jī)的運(yùn)行以及電力的揀選需求受到極端天氣條件的影響。

（5）電子產(chǎn)品，因?yàn)檫^去該領(lǐng)域一直遵守摩爾定律，這迫使半導(dǎo)體行業(yè)探索包括量子計(jì)算在內(nèi)的新技術(shù)。

（6）制造過程，因?yàn)橛糜卺t(yī)療、工業(yè)和消費(fèi)產(chǎn)品的高精度組件需要新的尺度和公差。Zhang等[5]對高精度材料技術(shù)進(jìn)行了綜述。Fang等[6]總結(jié)了近原子尺度制造的進(jìn)展。Fujimoto等[7]回顧了用于大批量生產(chǎn)的極紫外光源的情況。產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造需求中需要考慮自然災(zāi)害和流行病[如新冠病毒肺炎（COVID-19）]導(dǎo)致的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和數(shù)量的意外變化。

（7）運(yùn)輸，如航空、私家車和公共交通工具，都會對極端天氣條件產(chǎn)生影響。

7.結(jié)論

科學(xué)正在尋找尚未解決的問題的解決方案?？梢约僭O(shè)，影響最大的想法出現(xiàn)在主流研究領(lǐng)域之外，如從生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的基因編輯到發(fā)現(xiàn)新行星，生成對抗網(wǎng)絡(luò)的概念可以被認(rèn)為是一種數(shù)據(jù)科學(xué)的極限發(fā)展。生成對抗網(wǎng)絡(luò)的最新應(yīng)用由Kusiak [8]提出。這些發(fā)展將支持極限科學(xué)作為未來的研究學(xué)科。

在工程中可以觀察到類似的極限發(fā)展。本文主要關(guān)注兩個(gè)工程極限：集成極限和開放極限。通過涉及新材料、新產(chǎn)品和新制造過程的產(chǎn)品開發(fā)和制造案例，說明了集成的極限性。集成極限是創(chuàng)新的核心。

本文將一家開放企業(yè)作為開放極限的例子。這樣的企業(yè)是包括服務(wù)制造在內(nèi)的服務(wù)集合。在兩個(gè)極限中，原始業(yè)務(wù)實(shí)體不需要擁有任何產(chǎn)品開發(fā)資產(chǎn)；相反，所有這些都將通過開放服務(wù)進(jìn)行配置。原始業(yè)務(wù)實(shí)體將擁有產(chǎn)品，其重點(diǎn)將放在新概念（如產(chǎn)品）的開發(fā)上，而不是傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)和制造活動。某些工程學(xué)科已經(jīng)提供了一些極限示例，這些示例證明極限工程值得研究界和實(shí)踐界的關(guān)注。