奥巴马总统发起成立的先进制造业合作委员会,对未来做了一下展望。该组织划出了11个技术领域,认为这些领域将对制造业竞争力的决定起到关键作用,应当成为全国研发行动的重点。
传感、测量和过程控制
几乎所有先进制造技术都有一个共通的东西:它们都由处理巨量数据的电脑驱动。正因如此,那些捕捉并记录数据的东西才如此重要,如监测湿度的传感器、确定位置的GPS跟踪器、测量材料厚度的卡尺等。这些设备不仅越来越多地用于智能手机的智能化,还使得智能、灵活、可靠、高效的制造技术成为可能。
在一座现代化的工厂里面,传感器不仅有助于引导日益灵敏的机器,还提供管理整个工厂的运营所需要的信息。产品从诞生到送达都可以跟踪,某些情况下还可以跟踪到送达之后。在这个过程中,一旦有问题出现,比如在喷漆室的湿度不适宜喷涂的时候,传感器就会侦测出来,向机器操作者发送警报信号,甚至是向工厂管理者的手机发送警报信号。
材料设计、合成与加工
新机器将需要新材料,新材料将使新式机器的制造成为可能。随着将材料细分到原子或分子层级、几乎不需要经过漫长的实验室步骤就可以进行操纵的进展出现,涂层、复合材料和其他材料的开发正在加快。借鉴人类基因组计划取得的广受认可的成功,能源部等美国政府机构去年发起成立了材料基因组计划,其目标是将确定新材料、把新材料推向市场所需要的时间缩短一半。
目前这个过程可能需要耗时几十年,比如锂离子电池技术是20世纪70年代埃克森(Exxon)的一名员工首次构想出来的,但一直要到90年代才开始商业化。这个计划涉及的部分工作,便是让该领域内散落在世界各处、两耳不闻窗外事的研究人员共享创意和创新。
数字制造技术
工程师和设计师使用电脑辅助的建模工具已经有些年头,不仅用于设计产品,还以数字方式对产品进行检测、修正、改良,常常省略了更费钱、更费时的实体检验过程。云计算和低成本3D扫描仪(现在用iPhone就可以做一次简单的3D扫描)正在将这些方法从尖端实验室里搬出来,使之进入主流,让创业者能够用上。Autodesk制作了一套免费的的全功能CAD软件“123Design”,汽车制造商一度要用大型计算机才能完成的事情,个人拿这套软件就可以做了。
可持续制造
其目标即便不好实现,理解起来也还是很容易的,就是将每一丁点物质、每一焦耳能量最大化地用到生产当中,尽可能地减少浪费。高能效制造是其中的一个重点领域。比如,制造业工程师常常会说到“无灯”工厂的潜力,这种工厂在黑暗中持续运转,不需要加热或制冷,因为它们基本上都是由机器人或其他机器操作。随着规模更小、高度自动化的本地工厂变得更加普遍,再制造和回收或许会变得更加重要,本地供应的材料也会更受重视。
纳米制造
一纳米等于一米的10亿分之一,所以纳米制造的意思就是能够在分子、甚至原子层面操纵材料。预计纳米材料将来会在高效太阳能电池板、电池的生产过程中发挥作用,甚至会在基于生态系统的医学应用当中发挥作用,比如在体内安置传感器,可以告诉医生癌症已经消失。未来几代的电子设备和运算设备或许也会非常依赖于纳米制造。
柔性电子制造
比如坐在上面的时候会产生弯曲的平板电脑,与体温连线、在你需要的时候提供制冷的衣服等。这些柔性技术已经在向主流进发,预计会定义下一代的消费设备和运算设备,成为未来10年增长最快的产品门类之一。但这需要极为先进的制造工艺。
生物制造
该领域利用生物有机体或生物有机体的一部分以人工方式生产产品,如开发药物和复方药。(生产奶酪不算。)但它可以用到很多领域,比如能效的提高、纳米制造新方法的创造等。
增材制造
3D打印机不仅有希望在产量只有一件的时候就能够实现很高的质量,还有希望为全新的设计、材料结构与材料组合创造条件。能够打印1,000多种材料(硬塑料、软塑料、陶瓷和金属等)的打印机已经开发出来。一家德国制造商开发了一套一层层地堆积木浆的工艺,地亚哥一家名叫Organovo的公司正在通过3D打印打印实验用的人体组织。
现在有些打印机可以叠加不止一种材料,还可以将内置传感器和电路编织到智能部件中,如助听器或动作感应手套等。市场上甚至还有一种名叫“复制机”(Replicator)的东西,它是英国公司CybamanTechnologies开发的一套系统,先是堆出基本形状,然后用机器将粗糙的物体打磨成精确、光鲜的成品。
工业机器人
工业机器人可以每天24小时、每周七天地运转,精度可重复且越来越高,时间上可以精确到几百分之一秒,空间上可以精确到人眼都看不到的程度。它们精确地汇报进展,在接受效率测试的时候做出改进,如果安装了先进的传感系统,还会变得更