海外觀點 | 未來製造業模式：計算機設計，機器人製造？
▋海外觀點
隨著科技的快速發展，製造業正日新月異。近日，《經濟學家》刊文《先進位造業：只要計算機能設計，機器人就能製造》（Advanced manufacturing: If It Can Be Designed on a Computer, It Can Be Built by Robots），指出強大的新軟體誕生改寫了大規模生產的規則，「軟體定義」模式的製造業將改寫製造業的未來。
原文 ：「軟體定義」改寫製造業的未來
編譯 | 李彥文
圖片 |網絡
在卡羅來納州邊緣的一家工廠里，史丹利百得公司正在組裝無線電鑽。鑽頭半成品裝在盒子裡，沿著傳送帶移動，機器人手臂會對它們進行拍照和掃描，尋找缺陷。另一個機器人將電動馬達安裝在鑽頭的外殼中。第三個機器人負責放置和擰緊螺絲。整個生產線由一套獨立的軟體進行操控，每小時可以生產130件無線電動工具，全程只有7個工作人員監督。「30年後，我們會對這一代靠手工組裝產品的人類抱以嘲笑的態度。」布萊特機械公司（Bright Machines）的老闆里奧·蘇珊（Lior Susan）預測道。布萊特機械公司總部位於舊金山，該公司就安裝了上述車間軟體。這並不是說電鑽的設計或各個環節的製造步驟發生了變化，確切說，自動化機器的工作是由軟體編碼中的指令驅動的，在代工廠里的工人是手工完成這項工作的，而這些指令實際上是複製了工人大腦的運行模式。
「軟體定義」模式：生產更具確定性
這種製造方式類似於半導體行業所使用的一種模式，在這種模式下，晶片設計所使用的軟體直接連接到製造晶片的自動化硬體。對於南卡羅來納州米爾堡（Fort Mill）工廠和其他開始採用這種「軟體定義」（software-defined）的製造系統的公司來說，這可以設計更複雜的產品並更快地投入生產，由此改變未來的工廠。所有這些都有望節省大量成本。
為了理解其中的原因，你可以設想一個簡化版本，例如一套新的電動工具是如何製造的。某設計團隊設想出了一個新功能，比如更持久的電池，他們繪製出新產品的每一個元素，從電池艙到電路。這是一項複雜工作，因為僅僅對一個組件的細小更改都可能會對另一個組件產生很大影響。然後他們將設計「拋給另一端」負責製造的團隊。有時製造方是第三方工廠，工程師、設計師和生產人員經常交換信息並會面，在製作一系列原型過程中，根據各種成功或失敗的情況不斷調整設計。一些小的東西，比如一個螺絲，會因為電動螺絲刀很難夠到，所以不能擰緊到位，這可能會導致整個流程從製造端回到繪圖板的設計端。而如今設計端大多使用計算機輔助設計程序。最終，當人們判斷所有問題都得以解決時（希望如此），新產品就可以投入生產了。然而，關於這一切是如何實現的更詳細的細節，很可能仍然局限在組裝原型機的工人的腦海中。畢竟，人類是非常靈活的，經常會想出變通的辦法。
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這個過程已經沿用了幾十年，但本質上是不確定和混亂的。設計師無法準確預測工廠是否可以輕易適應某些東西。因此，設計團隊可能會故意讓某些功能變得模糊，並因為害怕被告知無法實現或成本過高而推遲創新想法。當硬體由軟體而不是人類控制時，這一切都會改變。設計師們可以更有把握地構想出新產品，以確保這些新產品是可以生產出來的。這是因為生產線的限制——甚至像螺絲定位這樣的精細環節——都被編碼在計算機輔助設計程序中。這些程序又直接連接到控制工廠機器的軟體上。所以，如果一項設計在數字模擬中可行，那麼大機率也會在生產線上得以「運行」。這種製造硬體和計算機輔助軟體的緊密融合在半導體製造業中是一個利好消息，在該行業中，巨大的機器將電路蝕刻在只有幾納米(一米的十億分之一)寬的矽上。蘋果、英偉達或高通等公司的晶片設計師使用專門的程序來設計電路，這些程序主要由楷登電子（Cadence）和新思科技（Synopsys）兩家公司製作。然後，設計文件被直接送到台積電（TSMC）等矽晶圓代工廠進行生產。
軟體控制流程：低成本高精密
哈佛商學院的史兆威（Willy Shih）表示：「在這些工具出現之前，人們都是手工布置集成電路。」他認為，以蘋果的M1晶片為例，如今想要手工做到這一點是不可能的，該晶片包含1140億個電晶體。只有在軟體允許人類忽略細節而專注於功能的系統中，才有可能產生這種複雜性。史丹利百得尚未將其計算機輔助工具交給布萊特機械公司的系統來設計新產品，但他們很快就會向布萊特公司開放。布萊特機械公司的蘇珊表示：「楷登電子和新思科技在半導體領域所做的，就是我們將在產品設計領域做的。」
一些公司已經開始以這種方式設計產品。VulcanForms是一家製造商，但生產的是金屬部件而不是晶片。工廠設在麻薩諸塞州北部的一個舊飛機機庫中，在那裡，其大型計算機控制機器將10萬瓦的隱形雷射聚焦在粉末金屬床上。這種粉末一層一層地熔化並融合成繁複的圖案，直到出現一個小於百分之一厘米的部件。這個部件可以是軍用無人機引擎的一部分，或者是一個完美的髖關節置換關節。這是一種增材製造（additive manufacturing），更廣為人知的名字是3D列印。VulcanForms的機器由計算機輔助設計軟體驅動，可以生產直徑不超過半米的任何金屬部件。
「當我熟悉VulcanForms在做什麼時，我可以看到一些可預測的模式，反映了半導體的一些研究進展。」美國晶片製造商AD公司（Analog Devices）的創始人、鑄造廠董事會成員雷·斯塔塔（Ray Stata）)說。他表示，在晶片製造領域，連接設計師和製造商的軟體在效率和規模經濟方面取得了巨大的進步。VulcanForms使用的是nTopology公司的軟體。這使不具備操作雷射技能的人可以設計出由鑄造廠生產的物品。VulcanForms的首席技術官約翰·哈特（John Hart）說，這可以使組件的性能達到以前無法比擬的水平，因為組件可以被製造成複雜的幾何結構，這是任何其他方式都無法製造的。它還可以實現物品的大批量製造，比如用一個粉末床就可以鍛造出1000個脊柱植入物。通過增材製造，產品也可以作為單個組件一次性生產出來，而不是由單個部件組裝而成。這減少了所需材料的數量，因為部件變得更輕，同時，還降低了組裝成本。
製造模式：廠房成為過去式
「軟體定義」製造對企業所面臨的一些重大貿易和政治挑戰產生了影響。對於那些越來越不願意依賴某些製造商的公司來說，這可以使生產回流成為一個更可行的選擇。這將對製造業領域的就業產生影響。自動化通常意味著在車間組裝物品的人數減少，但同時也創造了一些就業機會。技術人員需要編程和維護生產系統，成功的公司可能會在辦公室里增加設計、營銷和銷售人員的數量。然而，這些工作需要不同的技能，所以再培訓是很有必要的。
史兆威還指出，工廠本身正在由軟體所驅使，而不僅僅是工具機和流程。他以德國工業巨頭西門子旗下的Tecnomatix為例，該公司的軟體可以讓設計師設計出整個工廠，以便在實體工廠開始生產之前在虛擬環境中模擬新產品的生產，這被稱為數字孿生。如果製造業的未來跟隨著半導體行業的發展，那麼還有很長的一段路要走。製造機械物體與蝕刻沒有活動部件的精密電路不同。首先，流程遠沒有那麼標準化，組件有各種各樣的最終用途。「我們在機械結構方面才剛剛起步，」斯塔塔先生說，「用增材製造的方法把材料放在一起的整個過程還處於非常早期的階段。由此帶來的靈活性和可能性令人難以置信。」
然而，其中一些影響正變得越來越明顯，產品可以達到一定的性能水平和精度水平，當生產受到人手限制時，這是根本無法實現的。為容納人類工人而設計的廠房將成為過去式。由軟體設計的工廠將是更密集、更複雜的三維空間，充滿了高效率、高度自動化的機器集群。這些未來的工廠可能幾乎是無人居住的地方，由少數技術人員看管。同時由於軟體也能處理複雜的生產過程，人們將更容易使用軟體開發和設計新產品，這也將使研發和設計者的想像力達到新的高度。
文章為社會科學報「思想工坊」融媒體原創出品，原載於社會科學報第1873期第7版，未經允許禁止轉載，文中內容僅代表作者觀點，不代表本報立場。
本期責編：宋獻琪
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