房豐洲

【摘要】制造業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，是推動經(jīng)濟和社會發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。為加速實現(xiàn)“中國制造”升級為“優(yōu)質(zhì)制造”，必須在制造領(lǐng)域?qū)ふ倚碌耐黄瓶冢瑢崿F(xiàn)制造業(yè)的跨越式發(fā)展?！爸圃?.0”不同于傳統(tǒng)的制造，其理論遠遠超出常規(guī)制造的理論和技術(shù)范疇，更多地依賴于新的科學(xué)原理和理論基礎(chǔ)，對我國在下一輪國際競爭中獲得優(yōu)勢地位具有戰(zhàn)略意義。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)4.0 制造3.0 原子尺度制造 【中圖分類號】F423.1 【文獻標識碼】A

18世紀中葉人類開啟工業(yè)文明以來，制造業(yè)作為社會創(chuàng)造物質(zhì)財富的主要渠道，成為各國經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)?？v觀近現(xiàn)代世界史，大國的興起均始于制造業(yè)，當今世界強國都是制造強國。自新中國成立尤其是改革開放以來，我國的制造業(yè)有了顯著的發(fā)展，無論是制造業(yè)規(guī)模還是制造技術(shù)水平都有顯著的提高。著眼未來，中國要從經(jīng)濟大國邁向經(jīng)濟強國，首先要成為制造業(yè)強國。

“工業(yè)4.0”近期受到各國政府、產(chǎn)業(yè)界及學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注，今年5月，中國國務(wù)院印發(fā)《中國制造2025》，為我國建設(shè)現(xiàn)代化的工業(yè)強國描繪出清晰的路線圖?！肮I(yè)4.0”這一概念最早出現(xiàn)在2011年德國舉行的漢諾威工業(yè)博覽會上，一經(jīng)提出就迅速在歐盟工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)引起了極大關(guān)注。隨后在德國政府推出的《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》中，“工業(yè)4.0”被列為十大未來項目之一，旨在支持工業(yè)領(lǐng)域進行新一代革命性技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新，以此奠定德國在關(guān)鍵技術(shù)上的國際領(lǐng)先地位，夯實德國作為技術(shù)經(jīng)濟強國的核心競爭力。

根據(jù)德國“工業(yè)4.0”的劃分方法，人類社會已經(jīng)歷了三次工業(yè)革命。第一次工業(yè)革命始于1784年瓦特對蒸汽機的改良，以蒸汽機為動力的紡織機徹底改變了產(chǎn)品的生產(chǎn)方式。第二次工業(yè)革命始于1870年，美國辛辛那提屠宰場的第一條生產(chǎn)線將人類帶入分工明確、大批量生產(chǎn)的流水線模式和“電氣時代”。第三次工業(yè)革命始于1969年可編程控制器的出現(xiàn)，使制造過程不斷自動化，機器不僅取代了相當比例的體力勞動，而且還替代了部分腦力勞動?！肮I(yè)4.0”被認為是在前三次工業(yè)革命的基礎(chǔ)上進一步深化，基于“信息物理系統(tǒng)”（Cyber Physical System）實現(xiàn)新的制造方式。信息物理系統(tǒng)是指通過傳感網(wǎng)絡(luò)緊密連接現(xiàn)實世界，將網(wǎng)絡(luò)空間的高級計算能力有效運用于現(xiàn)實世界中，從而在生產(chǎn)制造過程中，與設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)有關(guān)的所有數(shù)據(jù)將通過傳感器采集并進行分析，最終實現(xiàn)在產(chǎn)品、生產(chǎn)設(shè)施的全生命周期中的智能管理和智能生產(chǎn)。這意味著未來工業(yè)生產(chǎn)組織方式將向定制化、分散化、融合化轉(zhuǎn)變，將使得互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)與工業(yè)企業(yè)的邊界逐漸被打破，生產(chǎn)企業(yè)與服務(wù)企業(yè)的邊界日益模糊。

中國業(yè)界對“工業(yè)4.0”的關(guān)注熱度不亞于其他國家和地區(qū)，這表明中國產(chǎn)業(yè)界對新一輪科技革新和產(chǎn)業(yè)變革的高度敏感?！肮I(yè)4.0”作為新的工業(yè)生產(chǎn)模式，對中國工業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要的借鑒意義。雖然目前中國是全球最大的制造國，但在制造基礎(chǔ)、制造技術(shù)、制造體系等方面與德、美、日等國仍有很大差距，高檔裝備從母機到生產(chǎn)設(shè)備仍需依賴進口。公開數(shù)據(jù)顯示，僅2013年我國高檔裝備進口額就超過千億元。自動化過程中所需的基礎(chǔ)芯片，2013年進口額也已達到兩千多億人民幣。同時，國內(nèi)的絕大多數(shù)工廠還處于勞動密集的“規(guī)?；魉€”的“工業(yè)2.0”時代，尚未踏入大規(guī)模自動化生產(chǎn)的“工業(yè)3.0”時代，數(shù)十萬人集聚的富士康代工廠似乎可以被視為當前中國制造業(yè)主要形態(tài)的縮影。

基于目前的中國國情，從總體上追求“工業(yè)4.0”，也許時機尚未成熟。如果把中德兩國工業(yè)現(xiàn)狀比作兩座外表差異不大的房子，若一座房子擬為擴展空間在上面加蓋一層，另一座也參照加蓋一層，結(jié)果可能未必相同。因為第一座的地基可能深入地下若干米，增高一層依然穩(wěn)固，而另一座若起于地面，增高一層后，原有房子將存在傾倒的可能。但是如果我們嘗試在繼續(xù)加固現(xiàn)有房子的基礎(chǔ)上，將部分力量投入另一座新房的建設(shè)，也許會出現(xiàn)新的景象。

人類文明與制造業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)。早在石器時代，人類就開始利用石器作為勞動工具制作生活和生產(chǎn)用品，到了青銅器和鐵器時代，為了滿足以農(nóng)業(yè)為主的自然經(jīng)濟的需要，人們開始采礦、冶金和鍛造工具，并開始制造紡織機械、水利機械、運輸車輛等。在此后相當長的時期內(nèi)，人類主要以手工作坊的形式生產(chǎn)制造工具及各種用品，在重復(fù)制造各種勞動工具的過程中，逐漸產(chǎn)生工具定型化傾向，開始了簡單的分工作業(yè)。這是作為一種藝術(shù)而存在和發(fā)展的制造技術(shù)第一階段，即“制造1.0”。

將制造從一種工匠活動轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N技術(shù)起源于因蒸汽機的發(fā)明而開啟的工業(yè)革命。機械技術(shù)與蒸汽技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了近代工業(yè)化的制造方式，機器制造方式逐步取代手工制造方式并形成規(guī)模。自這次工業(yè)革命之后，機床制造業(yè)在歐洲和美國經(jīng)歷了較長一段時間的蓬勃發(fā)展，機床業(yè)中逐步的標準化、精度的不斷提高以及功率更大的機床的出現(xiàn)，給其他金屬類產(chǎn)品制造提供了良好的基礎(chǔ)。而后，隨著發(fā)電機和電動機的發(fā)明，電氣化使電作為新的動力源大大改變了機器結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)效率。由于當時戰(zhàn)爭的不斷爆發(fā)和持續(xù)，加速了槍炮等武器的研制和生產(chǎn)，槍支生產(chǎn)和機床發(fā)明的交互作用導(dǎo)致了制造中很重要的一個概念——互換性的出現(xiàn)，每一個零部件在制造時都需滿足嚴格的一致性。1931年，亨利·福特正是基于互換性標準化技術(shù)建立了具有劃時代意義的汽車裝配生產(chǎn)線，實現(xiàn)了以剛性自動化為特征的大規(guī)模生產(chǎn)方式。1952年，美國麻省理工學(xué)院研制出世界上第一臺數(shù)控銑床，由此標志著制造領(lǐng)域中數(shù)控時代的開始，數(shù)控化使機械產(chǎn)品的功能和性能產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，基于經(jīng)典力學(xué)的制造基礎(chǔ)理論得到了形成、發(fā)展，并日趨完善。傳統(tǒng)加工中材料的去除已從毫米、微米發(fā)展到納米尺度。宏觀上講，可以把它們統(tǒng)稱為制造技術(shù)發(fā)展的第二個階段——基于機器精度的可控制造時代，即“制造2.0”。

制造的核心技術(shù)之一是加工，當加工的尺度從微米、納米向著原子尺度逼近時，出現(xiàn)了原子量級的材料去除、遷移或增加，傳統(tǒng)的加工理論已經(jīng)無法解釋這一尺度下發(fā)生的現(xiàn)象和效應(yīng)。這也標志著制造技術(shù)將從以經(jīng)典力學(xué)、宏觀統(tǒng)計分析和工程經(jīng)驗為主要特征的現(xiàn)代制造技術(shù)，走向基于多學(xué)科綜合交叉集成的下一代制造技術(shù)。這種原子或近原子尺度的制造（Atomic or Close-to-atomic Scale Manufacturing），簡稱為ACSM制造，即“制造3.0”。其主要特征：其一，制造對象與過程設(shè)計跨越宏觀、微觀和納觀直接作用于原子本身。產(chǎn)品的幾何尺寸是宏觀的，但卻要在原子尺度上實現(xiàn)制造體的輪廓及表面形貌。其二，制造過程中表面/界面效應(yīng)占主導(dǎo)作用。原子或近原子尺度材料去除、遷移或增加的物理與化學(xué)反應(yīng)等一系列過程均發(fā)生在固/液/氣相的作用界面上。其三，制造過程中原子/分子的行為決定于量子效應(yīng)。隨著制造對象尺度和精度趨向原子或近原子量級，制造科學(xué)與技術(shù)的研究方法需由宏觀的實驗統(tǒng)計向趨于物質(zhì)基本組成粒子的相互作用機制轉(zhuǎn)變。

回顧制造業(yè)的發(fā)展過程，亞毫米級制造精度使蒸汽機革命在英國成功，并使英國一度成為“日不落帝國”；微米級制造精度適應(yīng)了電氣和電子產(chǎn)品的制造，造就了美國、歐洲和日本的經(jīng)濟快速發(fā)展?！爸圃?.0”（ACSM制造）有望在制造領(lǐng)域帶來科學(xué)和技術(shù)的變革，為我國實現(xiàn)由制造大國向制造強國的轉(zhuǎn)變提供了歷史機遇。

電子管出現(xiàn)后，曾經(jīng)是電路系統(tǒng)中的核心元件，但隨之被晶體管完全取代。微芯片的誕生可以說創(chuàng)造了一個時代，芯片的集成度正在快速發(fā)展，其線寬也從32納米、22納米向著11納米發(fā)展。晶體管特征尺寸的縮小也不是無限制的，目前尖端的制造工藝已經(jīng)基本接近極限值，若超出極限值，材料的物理、化學(xué)性能將發(fā)生質(zhì)的變化，電子的運動不再遵循經(jīng)典物理，開始呈現(xiàn)量子態(tài)。這種情況下，電子具有概率所呈現(xiàn)出的波特性，出現(xiàn)隧穿效應(yīng)，“穿過”原本不可能穿過的絕緣節(jié)點，現(xiàn)行的半導(dǎo)體器件將無法工作。利用量子科學(xué)開發(fā)出基于量子芯片的新信息處理機制，即量子計算機，它的處理速度從理論上講是傳統(tǒng)電子計算機的上萬億倍，其可靠性、運算速度以及精密度幾近完美，一臺量子計算機的功能可完全等同于幾個巨型超級計算機的功能總和，它的優(yōu)越性是傳統(tǒng)計算機技術(shù)所無法比擬和想象的?？梢灶A(yù)見，量子芯片的時代在不遠的將來一定會到來。

如果在晶體管出現(xiàn)之前，我們下大氣力投入電子管制造的研究、開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，一旦晶體管出現(xiàn)，無論我們做出怎樣的前期努力，都將付之東流。同樣，我們也付出巨大努力在微電子芯片制造的研究、開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，力求趕超發(fā)達國家已經(jīng)達到的技術(shù)水準。若干年后，當量子芯片出現(xiàn)后，我們不得不進入另一輪的追趕。

無論是量子芯片，抑或是其他我們沒有預(yù)見到的新的革命性元器件，當它們形成產(chǎn)品時，對新一代制造技術(shù)的需求將是必然。而作為下一代制造技術(shù)的代表，“制造3.0”的啟動、策劃與實施，將對我們國家的戰(zhàn)略發(fā)展起到積極的支撐作用。

“制造3.0”是下一代制造技術(shù)，預(yù)示著制造技術(shù)新的革命性階段，對我國在下一輪國際競爭中獲得優(yōu)勢地位具有戰(zhàn)略意義。建議國家相關(guān)決策部門啟動論證與規(guī)劃，并列為國家重點研發(fā)計劃。

（作者為天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院教授，長江學(xué)者特聘教授，“973”計劃項目首席科學(xué)家）

【參考文獻】

①國務(wù)院關(guān)于印發(fā)《中國制造2025》的通知，中國政府網(wǎng)，2015年05月08日。

責(zé)編/周素麗 張寒（見習(xí)）