海外观点 | 未来制造业模式：计算机设计，机器人制造？
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随着科技的快速发展，制造业正日新月异。近日，《经济学家》刊文《先进制造业：只要计算机能设计，机器人就能制造》（Advanced manufacturing: If It Can Be Designed on a Computer, It Can Be Built by Robots），指出强大的新软件诞生改写了大规模生产的规则，“软件定义”模式的制造业将改写制造业的未来。
原文 ：“软件定义”改写制造业的未来
编译 | 李彦文
图片 |网络
在卡罗来纳州边缘的一家工厂里，史丹利百得公司正在组装无线电钻。钻头半成品装在盒子里，沿着传送带移动，机器人手臂会对它们进行拍照和扫描，寻找缺陷。另一个机器人将电动马达安装在钻头的外壳中。第三个机器人负责放置和拧紧螺丝。整个生产线由一套独立的软件进行操控，每小时可以生产130件无线电动工具，全程只有7个工作人员监督。“30年后，我们会对这一代靠手工组装产品的人类抱以嘲笑的态度。”布莱特机械公司（Bright Machines）的老板里奥·苏珊（Lior Susan）预测道。布莱特机械公司总部位于旧金山，该公司就安装了上述车间软件。这并不是说电钻的设计或各个环节的制造步骤发生了变化，确切说，自动化机器的工作是由软件编码中的指令驱动的，在代工厂里的工人是手工完成这项工作的，而这些指令实际上是复制了工人大脑的运行模式。
“软件定义”模式：生产更具确定性
这种制造方式类似于半导体行业所使用的一种模式，在这种模式下，芯片设计所使用的软件直接连接到制造芯片的自动化硬件。对于南卡罗来纳州米尔堡（Fort Mill）工厂和其他开始采用这种“软件定义”（software-defined）的制造系统的公司来说，这可以设计更复杂的产品并更快地投入生产，由此改变未来的工厂。所有这些都有望节省大量成本。
为了理解其中的原因，你可以设想一个简化版本，例如一套新的电动工具是如何制造的。某设计团队设想出了一个新功能，比如更持久的电池，他们绘制出新产品的每一个元素，从电池舱到电路。这是一项复杂工作，因为仅仅对一个组件的细小更改都可能会对另一个组件产生很大影响。然后他们将设计“抛给另一端”负责制造的团队。有时制造方是第三方工厂，工程师、设计师和生产人员经常交换信息并会面，在制作一系列原型过程中，根据各种成功或失败的情况不断调整设计。一些小的东西，比如一个螺丝，会因为电动螺丝刀很难够到，所以不能拧紧到位，这可能会导致整个流程从制造端回到绘图板的设计端。而如今设计端大多使用计算机辅助设计程序。最终，当人们判断所有问题都得以解决时（希望如此），新产品就可以投入生产了。然而，关于这一切是如何实现的更详细的细节，很可能仍然局限在组装原型机的工人的脑海中。毕竟，人类是非常灵活的，经常会想出变通的办法。
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这个过程已经沿用了几十年，但本质上是不确定和混乱的。设计师无法准确预测工厂是否可以轻易适应某些东西。因此，设计团队可能会故意让某些功能变得模糊，并因为害怕被告知无法实现或成本过高而推迟创新想法。当硬件由软件而不是人类控制时，这一切都会改变。设计师们可以更有把握地构想出新产品，以确保这些新产品是可以生产出来的。这是因为生产线的限制——甚至像螺丝定位这样的精细环节——都被编码在计算机辅助设计程序中。这些程序又直接连接到控制工厂机器的软件上。所以，如果一项设计在数字模拟中可行，那么大概率也会在生产线上得以“运行”。这种制造硬件和计算机辅助软件的紧密融合在半导体制造业中是一个利好消息，在该行业中，巨大的机器将电路蚀刻在只有几纳米(一米的十亿分之一)宽的硅上。苹果、英伟达或高通等公司的芯片设计师使用专门的程序来设计电路，这些程序主要由楷登电子（Cadence）和新思科技（Synopsys）两家公司制作。然后，设计文件被直接送到台积电（TSMC）等硅晶圆代工厂进行生产。
软件控制流程：低成本高精密
哈佛商学院的史兆威（Willy Shih）表示：“在这些工具出现之前，人们都是手工布置集成电路。”他认为，以苹果的M1芯片为例，如今想要手工做到这一点是不可能的，该芯片包含1140亿个晶体管。只有在软件允许人类忽略细节而专注于功能的系统中，才有可能产生这种复杂性。史丹利百得尚未将其计算机辅助工具交给布莱特机械公司的系统来设计新产品，但他们很快就会向布莱特公司开放。布莱特机械公司的苏珊表示：“楷登电子和新思科技在半导体领域所做的，就是我们将在产品设计领域做的。”
一些公司已经开始以这种方式设计产品。VulcanForms是一家制造商，但生产的是金属部件而不是芯片。工厂设在马萨诸塞州北部的一个旧飞机机库中，在那里，其大型计算机控制机器将10万瓦的隐形激光聚焦在粉末金属床上。这种粉末一层一层地熔化并融合成繁复的图案，直到出现一个小于百分之一厘米的部件。这个部件可以是军用无人机引擎的一部分，或者是一个完美的髋关节置换关节。这是一种增材制造（additive manufacturing），更广为人知的名字是3D打印。VulcanForms的机器由计算机辅助设计软件驱动，可以生产直径不超过半米的任何金属部件。
“当我熟悉VulcanForms在做什么时，我可以看到一些可预测的模式，反映了半导体的一些研究进展。”美国芯片制造商AD公司（Analog Devices）的创始人、铸造厂董事会成员雷·斯塔塔（Ray Stata）)说。他表示，在芯片制造领域，连接设计师和制造商的软件在效率和规模经济方面取得了巨大的进步。VulcanForms使用的是nTopology公司的软件。这使不具备操作激光技能的人可以设计出由铸造厂生产的物品。VulcanForms的首席技术官约翰·哈特（John Hart）说，这可以使组件的性能达到以前无法比拟的水平，因为组件可以被制造成复杂的几何结构，这是任何其他方式都无法制造的。它还可以实现物品的大批量制造，比如用一个粉末床就可以锻造出1000个脊柱植入物。通过增材制造，产品也可以作为单个组件一次性生产出来，而不是由单个部件组装而成。这减少了所需材料的数量，因为部件变得更轻，同时，还降低了组装成本。
制造模式：厂房成为过去式
“软件定义”制造对企业所面临的一些重大贸易和政治挑战产生了影响。对于那些越来越不愿意依赖某些制造商的公司来说，这可以使生产回流成为一个更可行的选择。这将对制造业领域的就业产生影响。自动化通常意味着在车间组装物品的人数减少，但同时也创造了一些就业机会。技术人员需要编程和维护生产系统，成功的公司可能会在办公室里增加设计、营销和销售人员的数量。然而，这些工作需要不同的技能，所以再培训是很有必要的。
史兆威还指出，工厂本身正在由软件所驱使，而不仅仅是机床和流程。他以德国工业巨头西门子旗下的Tecnomatix为例，该公司的软件可以让设计师设计出整个工厂，以便在实体工厂开始生产之前在虚拟环境中模拟新产品的生产，这被称为数字孪生。如果制造业的未来跟随着半导体行业的发展，那么还有很长的一段路要走。制造机械物体与蚀刻没有活动部件的精密电路不同。首先，流程远没有那么标准化，组件有各种各样的最终用途。“我们在机械结构方面才刚刚起步，”斯塔塔先生说，“用增材制造的方法把材料放在一起的整个过程还处于非常早期的阶段。由此带来的灵活性和可能性令人难以置信。”
然而，其中一些影响正变得越来越明显，产品可以达到一定的性能水平和精度水平，当生产受到人手限制时，这是根本无法实现的。为容纳人类工人而设计的厂房将成为过去式。由软件设计的工厂将是更密集、更复杂的三维空间，充满了高效率、高度自动化的机器集群。这些未来的工厂可能几乎是无人居住的地方，由少数技术人员看管。同时由于软件也能处理复杂的生产过程，人们将更容易使用软件开发和设计新产品，这也将使研发和设计者的想象力达到新的高度。
文章为社会科学报“思想工坊”融媒体原创出品，原载于社会科学报第1873期第7版，未经允许禁止转载，文中内容仅代表作者观点，不代表本报立场。
本期责编：宋献琪
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