資本實驗室·今日創新觀察

聚焦前沿科技創新與傳統產業升級

在過去，傳統的產品生產和銷售一直遵循這樣的流程：發現消費者需求——企業設計圖紙——制作原型——設計制造產品所需的工藝裝備——進行大規模生產——推向市場。

大規模機械化使得工廠在極短的時間內，即可制造出大量的產品，并改變了數十億人的工作與生活。

但傳統產品生產存在著諸如研發成本高、生產周期長、原材料利用率不足、產品可能會大量積壓等一系列問題。

Source: PHD Ventures, Inc.

今天，隨著互聯網與制造部門、消費者的深度融合，一切都在發生翻天覆地的變化：

一方面，企業獲取消費者信息的渠道更加簡單快捷，得以更快地了解消費者需求及市場變化。

另一方面，物聯網、傳感器、3D打印、機器人、人工智能等技術的應用，使工廠的生產、管理與運營更加智能化、自動化。

因此，產品從設計到大規模生產的流程正在因新技術的應用而發生變化，而以下三大變化將為制造業帶來根本性的變革：大規模定制、開放式創新與智能化工廠。這些變化也將是工業4.0最直接的體現。

1.大規模定制

因成本問題，個性化和定制化一直是傳統制造業難以施展的領域。而3D打印、人工智能、新材料等新技術的融合將使企業可以規模化地生產個性化定制產品。

據預測，人工智能只需將自動化生產轉向自定義配置產品，即可滿足不同消費者的多樣化需求。

3D打印將使得我們直接從設計轉到生產，并具有更強的適應性，得以加速數量級生產。

3D打印也將成為大規模定制化生產的最大驅動力，而通過結合大量的消費者數據以及人工智能技術，定制化產品可以快速滿足市場需求。

目前，該技術正處于指數級增長階段。據統計，2015年，增材制造（俗稱3D打印）行業市場規模增長至近52億美元，價格在5000美元以內的3D打印機在全球銷量超過25萬臺。據IDC預測，到2021年，全球3D打印行業的支出將達到近200億美元。

通過這一技術，并借助新的設計軟件，我們可以定制符合解剖學標準的醫用支架、個性化牙科產品、改裝飛機和汽車零部件，并可以制造諸如傳感器、藥物輸送系統和實驗室芯片應用領域的微型產品。

去年，Adidas與3D打印公司Carbon 3D合作推出了3D打印運動鞋，將運動員特定的數據和個人緩沖偏好通過3D打印技術融入到運動鞋中。 

通過數字光合成（DLS）3D打印技術，Carbon 3D公司創紀錄地從液體材料中打印成品鞋，并很好的控制鞋子的彈性、比強度及其它產品屬性。更厲害的是，這一新的工藝能夠最大限度地減少設計流程和原型設計時間，從而直接進行生產，將產品生產周期縮短多達9倍。

3D打印的應用，不僅僅局限在小型商品制造上。2018年4月，荷蘭3D打印公司MX3D完成了世界首座3D打印鋼制橋梁，并即將安裝在阿姆斯特丹。

MX3D公司使用的六軸機器人手臂可以在空中從任何方向進行打印。這種多軸打印技術幾乎完全消除了傳統3D打印所需的某種物體支撐，為未來的新結構打印開辟了新的方向。

然而，3D打印技術并非該40米長的橋梁的唯一新技術。為確保這座橋梁的安全性和優化性能，3D打印鋼結構還配備了一系列傳感器，可以監控自己的健康狀況，記錄下走過它的人數和速度，并測量空氣中污染物等數據，還能將收集的數據創建成一個數字橋梁模型，為以后的設計提供數據參考。

3D打印的應用還遠不止于此。在一個更微型的領域，也就是電子領域，3D打印同樣在開啟一個定制化和按需電子的新時代。

過去，電子產品生產時，需要手動嵌入電路。然而，通過3D打印技術，我們可以將導電油墨直接在產品中打印成電路，一次就可以完成。

例如，以色列電子3D打印公司Nano Dimension和美國3D打印公司Voxel8等初創公司正在使用導電油墨來打印電路。

通過3D打印技術打印出來的電路熱穩定性高，厚度僅有幾微米，所以不斷發展的導電油墨有可能為硬件生產帶來革命性變化。

總之，3D打印拋棄了冗長的設計環節、多階段原型設計、昂貴的工具和統一化的生產，從而可以大幅度降低生產成本，并將徹底改變傳統工業制造的生產流程。

2.開放式創新

傳統制造企業一般都遠離都市，在設計和研發產品方面費時耗力，且為了安全起見，只能在企業內部自行研發。

而隨著創新工廠、孵化器、制造設備實驗室的興起，城市正在成為傳統制造業的創新來源。無論是內部研發還是外包，從產品設計到生產技術，任何人都可以介入其中并參與發明。

在過去，我們談論“開放式創新”已經很多年，不少企業也已經通過這一模式獲得了可觀的成果。但受制于技術、社區等限制，開放式創新并未在更大范圍實現。而現在，真正的“開放式創新”正在到來。

在制造業中，當可訪問的用戶界面出現時，借助類CAD設計軟件和易用的界面，每個人都可以成為發明家和技術創新者。技術開發也將真正呈現出指數級增長，“開放”將成為制造業的關鍵詞。

硬件工作室和企業孵化器的新生態系統正在城市中心興起。諸如初創企業孵化器Playground Global和開源3D打印公司LulzBot之類的公司正在不斷壯大，為自由創業者提供了優越的物理辦公空間和制造能力。

2015年，Android之父Andy Rubin聯合其他人成立了Playground Global孵化器，為初創企業提供包括業務、辦公空間以及機械設計的各種指導，并幫助他們解決材料、工程、制造、供應鏈管理、分銷等問題。

通過提供內部專業技術來交換小型股權，硬件生態系統實驗室Flex Lab IX幫助數十家創業公司構建變革性技術，例如無人機系統、超薄電池、智能頭帶等。

正如美國工業設備制造和工藝設計及測試供應商Bestronics的首席執行官Nat Mani所說：“我們越來越多地尋求與初創企業的合作，將其作為業務發展的一種形式，同時也要保持在新技術領域的領先地位。這些初創公司經常在嘗試我們需要知道的新事物。”

美國3D打印解決方案提供商3D Systems和工業級3D打印解決方案供應商Stratasys等行業巨頭也正在接受分布式制造這一新模式。

憑借其連續構建3D演示器，Stratasys提供了一個模塊化3D打印機墻，所有打印機均通過云端工作并進行集中控制。

風險投資基金Bolt則為那些進入Y Combinator和其他加速器的初創公司提供原型設備實驗室，并幫助他們開發產品。Kickstarter等眾籌平臺也為創業者提供了初始融資服務。

隨著分布式制造和自動化制造成本的下降，未來開放式創新設計與研發將出現爆炸式增長，而傳統制造商的產品研發模式將受到非常大的挑戰。

3.智能化工廠

對于一家成熟的制造企業，工業物聯網、人工智能、協作機器人和Li-Fi將是走向未來制造業必須具備的前沿技術。

智能工廠也將成為未來制造業的終極方向。隨著新型傳感器、機器學習工具和檢測無人機等技術的應用，工廠設備不僅能夠立即自主糾正錯誤，生產過程也能實時滿足不斷變化的需求。

作為工業物聯網領域的領先企業，美國公司TE Connectivity設計和制造高度精密的連接器、傳感器和電子元件。從醫療行業到家電行業，從航空航天到國防等領域，TE的產品實現了機器間的通信。

而在更偏僻的地區，機器對機器的通信尤為重要，因其可以允許在智能機器人之間分散傳輸數據。例如，區塊鏈物聯網初創公司Filament正在利用低功耗工業傳感器和區塊鏈來推動該領域的發展。

物聯網通訊初創公司Kepler Communications則利用小型的衛星矩陣取代傳統衛星通訊，為偏遠地區的工廠實現工業物聯網設備之間的通訊。

智能傳感器可以轉換數據，實現與制造設備間的通信，并在性能或安全受到威脅時關閉設備。工業物聯網也使得我們能夠分析生產配額，進行預測性維護并遠程輸入設計。

對于大型制造商而言，產品召回是最昂貴最可怕的災難，而人工智能的應用，則可以將產品召回的風險降到最低。

硅谷人工智能初創公司Landing.ai開發的用于生產線的機器視覺工具，可以發現人眼無法看到的電路板和產品中的細微缺陷。通過精確的現場質量分析，即時反饋錯誤，與工業物聯網相連的機器可以在發生任何損失之前暫停生產，從而避免進一步的損失。

Instrumental、Maana和Augury等創業公司通過收集和分析由物聯網生成的海量數據，使用機器學習技術來檢測設備和機器的異常與風險，并提前預警。

美國工業物聯網解決方案提供商Augury開發了一套完整的傳感器套件，通過工業物聯網分析機器的聲音變化，以此發現機器的異常情況。

隨著云連接、協作機器人能夠實現自主管理，未來的工廠將實現全自動化運行。

美國無人值守3D打印工廠Voodoo Manufacturing擁有世界首個功能齊全的、機器人操作的3D打印機群——Project Skywalker。這一系統通過專業軟件，將9臺3D打印機和一個機械臂組合在一起。

該系統可以自動移除和更換一臺3D打印機的構建板，然后繼續打印過程。而傳統生產中，移除和更換構建板需要占用員工約15％的時間。

這一系統還可以實現24小時自動運行，無需人員監控。而通過大規模部署Skywalker，其位于布魯克林的工廠產能提高了400％。

這樣的技術與模式將徹底打亂傳統制造業的生產模式。

3D打印機、協作式3D打印機群、聯合機器人、管理3D打印機的機器人、構建機器人的3D打印機，所有的這些只不過是一個開始。

在未來，傳統制造的物理限制和空間限制將不再那么重要，設計、生產將更加扁平化、更加開放。在此背景下，制造業巨頭和新興創業公司都將擁有前所未有的發展機遇。（參考信息：awaken）