互动科普

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3D打印

3D打印能发挥出其巨大的潜能吗？

撰文：拉里·格林迈耶（Larry Greenemeier）

不过，这只机器手的特殊之处不在于它的功能，而是它本身是如何制成的，以及制造它的方法带来的意义。首先在计算机上进行设计，然后通过所谓的“增材制造”（additive manufacturing），或者用更流行的说法——3D打印出几十个部件，最后将它们组装成产品。橡树岭实验室的这一工作，可以让我们瞥见未来的制造业。到那时，即便是现在看来不可能实现的设计，都能够在数小时内被有序地打印、制造出来。

“你眼前的机械手是一个非常非常复杂的设计，它内部的液压导管可以经受超过每平方英尺3,000磅的压力（约合2,000万帕斯卡），”橡树岭实验室能量材料研究项目负责人克雷格· 布卢（Craig Blue）介绍说，“采用网格设计是为了降低结构重量，只将材料用在必需的地方。除了3D打印，目前还没有其他技术能够制成这只机械手。”

随着3D打印技术的成熟，一些复杂的机械装置只能用这种方式来制造，而其他任何方式都不行。所以，制造业巨头们都开始将这项技术应用到先进的生产线上。比如，GE中国研发中心就研制了一款激光增材制造设备，能将像钛合金这类难以处理的材料打印成高达1米的、形状复杂的零件。GE将把这种技术用于制造飞机发动机风扇叶片的前缘部件，从而降低生产成本，缩短制造周期。而在传统制造业中，通常是从一大块原料开始，经过切削打磨，加工出需要的部件；而3D打印是逐层的，从无到有地建造出一个物体。从原型设计到量产产品，这种思路上的转变有可能影响到制造业的方方面面。

然而， 3D打印也面临着许多技术挑战。同普通的“切削制造”相比，“增材制造”速度较慢，成品的尺寸和表面性质也不够稳定。此外，对3D打印机来说，用多种不同材料制造产品还存在困难，并且它还无法在不对线路造成损坏的前提下，将电子电路整合进产品中。

研究人员正在努力克服这些局限性，不过毫无疑问，对于定制的、小规模生产的应用产品来说，增材制造具有巨大的潜力。一旦这项技术成功扩展到大规模商业应用，3D打印就能够驱动一场广泛传播的制造业革命。

3D打印的优势

3D打印的出现可以追溯到20世纪80年代末。当时，一些新兴公司和学术研究机构（其中最著名的是美国得克萨斯大学奥斯汀分校），发明了能在几分钟内，利用数字设计方案建造出三维模型的机器。在随后数十年里，因为能以较低的成本，帮助发明家和工程师迅速制造出他们的原型设备，这些当时价值约175 000美元的系统一时间声名大噪。

从那时起，3D打印的发展开始沿两条不同的道路前进。其中一条是低端路线：那些业余爱好者和怀揣着企业家梦想的人们，利用价值2 000美元甚至价格更低的机器，快速制出一些塑料模型。这些家电级别的设备，能帮助用户发明新产品——现在，已经有人把3D打印与当年个人计算机的出现相比较了。“一些开发小组吃了6个月的方便面，利用互联网、云计算和开源软件来编写一个应用程序，然后发表它，看看有没有人对它感兴趣。我们看到，同样的现象也开始扩散到了产品制造上，”美国白宫科技政策办公室负责技术及革新的副主任汤姆·卡利尔（Tom Kalil）说。

另一条是高端道路——大型制造企业正在研发先进的、工业级的设备，来制造飞机零部件和生物医学装置（例如人造髋关节）。能够实现这些功能的机器，价格通常超过30 000美元；那些装备有激光器件、用于制造高品质金属产品的设备，售价更可高达100万美元。这些打印机可以使用高分子聚合物、金属或其他液态、粉末态的材料。产品的设计以数字文件的形式保存，在着手制造模型之前，设计员可以随时调整设计，而几乎不会造成任何经济损失。

去年11月，美国国家情报委员会（一个由专业分析师组成的，为美国国家情报主任办公室工作的团队）在其发布的、题为《2030年的全球趋势：另一个世界》的报告中指出：预计到2030年，3D打印将取代某些传统的大规模生产工序——例如铸造、制模和加工，尤其是在小批量生产或制造更多定制产品的情况下。航空航天领域里的制造企业是这一潮流的先锋。去年，拥有近百年航空发动机制造史的通用航空公司，收购了两家专门用3D打印制造工艺来制造飞机零部件的供应商；波音公司也已使用3D打印，制造出了超过22 000个零部件，用在民用或军用飞机上。

这些大企业发现，从能源和材料两个方面考虑，3D打印都比传统制造更加高效。如果用传统方法，“加工一个零件的原材料，最后有80%～90%都成了地上的废渣废料，”美国一家3D打印咨询公司的首席顾问兼总裁特里·沃勒斯（Terry Wohlers）说。

打破旧“模式”

尽管有这么多优点，但在很大程度上，制造企业仍仅仅将3D打印看作是制造原型产品的手段，而并非用于工业级别的产品生产。原因存在于三个方面：速度、一致性和复杂性。

首先，如果要制造非常精细的产品，3D打印的速度相对较慢。“比如建造一个垒球那么大的物品，上面要有一些精细的结构，那么建造时间预计需要6～8个小时，”理查德·马图卡尼兹 （Richard Martukanitz）说，他是美国宾夕法尼亚州立大学创新材料加工研究中心（Center for Innovative Materials Processing through Direct Digital Deposition）的负责人之一。如果需要制作几千个这样的零件，3D打印机将需要好几年的时间才能完成这项工作。

某些3D打印系统（例如那些为美国海军研发的设备）能在一小时内，打印出10～20千克的材料。马图卡尼兹介绍说，尽管这些系统的打印速度很快，但打印出来的精细程度却不够，产品还需要后续加工才行。研究人员正在研发能以不同速度打印的系统，既可以快速堆砌出大块材料，在部件需要更精细的结构时，又可以降低打印速度。“目前，这个研究方向吸引力了很多人的目光。因为从生产效率的角度来说，人们看到了3D打印的局限性”。

在首席设计师朗尼·洛夫（Lonnie Love）的领导下，橡树岭实验室的工程师花了24个小时，来为1.3磅（约合0.6千克）重的机械手制作零件，然后又花了16个小时来组装。现在，他们在研发一种新型3D打印机，希望有朝一日，能用这种机器一次性打印出整只机械手。

提升3D打印速度的另一个选择，是将工作分配于若干制造企业中。然而这一方案的实行，需要制定出比当前水平更高的标准才行。比如，GE或其他供应商在制造飞机引擎的一个关键部件时，不论它们是在何时、何地制造的，最后的产品无论是看起来、摸起来还是用起来，都应该同样可靠。曾用名为“美国测试与材料协会”（American Society for Testing and Materials）的“ASTM国际”（ASTM International），是一个积极参与制定3D打印标准的组织，虽然他们的工作还处于初期阶段。

研究人员还试图研制出自监控3D打印机，能够迅速、大量地生产具有相同设计的产品。这种系统能够分析物品制造过程中的高速摄影影像，或使用红外热成像来检测成品中的瑕疵，然后在不停止建造过程的情况下，迅速纠正这些缺点和问题，布卢介绍说。“你只须将零件的生产计划下载到打印机上，然后就能得到完美的零件了”。

随着企业开始制作需用多种不同材料的产品，有时其中还要内嵌电子线路，复杂性也成为了一个需要考虑的因素。一个解决方案是，进一步发展出装备有多重喷头的3D打印机，在生产过程中，每一个喷头都能喷涂、堆积一种不同的材料。这些喷头中，有一个可用来制造嵌入电线，或者在制造过程中，直接将电子元件打印进产品里。

橡树岭实验室、得克萨斯大学艾尔帕索分校W·M·凯克3D创新研究中心（W. M. Keck Center for 3D Innovation），以及其他机构的研究人员，正在设计还能打印出电路的3D打印机。他们面临的困难是：在打印周边的塑料或金属时，如何避免过热，不会损坏中间的电子元件。研究人员正在测试，在电子元件周围打印出绝缘材料来保护它们。“未来十年内，打印出的电子元件就能够和其他材料整合在一起了，”布卢说。

总而言之，3D打印技术的种种优势，让橡树岭实验室发明的机械手前景乐观；对那些将能用上它的人来说，未来更值得期待。在科学家的设想里，终有一天，医生可以通过扫描病人的健康手臂，从而生成一个手臂的镜像文件，最后打印出已经组装好的、可直接使用的机械假肢来。

本文作者：拉里·格林迈耶（Larry Greenemeier）是《科学美国人》杂志的助理编辑。

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纳米机器兴起

科学家正在制造下一代原子尺度的器件。

撰文：米哈伊尔·C·罗科（Mihail C. Roco）

现在，让我们想象一下未来的世界。在那里，数字处理器、内存、发电机，以及人造组织和医学设备的制造组装，都能在一个小到肉眼无法看到的尺度上进行，并且遵循一套新的法则。接下来的几年将是一个重要时代的开端：今天，我们仅能制造涉及纳米技术的产品（例如带有能阻挡紫外线的二氧化钛微粒的太阳镜，以及用于增强医学成像的粒子），而未来，我们制造的产品本身就是纳米尺度的。

这些关键纳米技术的成功实现，不仅需要更好地理解物质在显微尺度下的行为特性，还要发明新的工具和组装工艺。

其中一条途径是自下而上的受控自组装技术，即结合较小或较低级别的单元——例如原子和纳米尺度的分子（纳米管），组成更大、更重要的元件。科学家还能利用DNA链之类或天然或人工修饰过的分子，作为可编程的建造材料，制造出精密的、分子尺度的器件和马达。另一个高效的途径是所谓的“卷至卷”组装工艺，微型器件将被打印在连续的、卷起来的高分子聚合物薄片上。

纳米制造还需要超精密的工具。其中一些将是化学催化剂；其他的会来自生物、光学、机械或电磁领域。在更遥远的未来，用于纳米制造的“工具箱”里有可能会包括新型分子，以及人工制造出的、似乎违背自然规律的“超材料”——例如一种能以出人意料的方式折射光线的材料。

在以下的文字中，将介绍一些最令人激动的、能让我们看到一丝未来曙光的纳米技术，以及我们实现它们的手段。

极小的存储器

想要为体积更小，功能更强大的电子器件提供密度和效率更高，价格却更为便宜的存储器？纳米制造技术在这方面有着很大的潜力。已经使用了几十年的、用于制造集成电路的互补金属—氧化物半导体（complementary metal-oxide semiconductor，CMOS）有自身的理论极限，科学家和工程师无法一直缩小计算机芯片和散热电路的尺寸。一个应对方案是，利用电子自旋作为存储和逻辑元件中的信息载体。IBM、Intel和其他一些公司正在研发一种所谓的“自旋子”内存和逻辑器件。它们具有更高的可靠性、超快的存取速度以及较低的能耗需求，前景诱人。除此之外，还有许多其他途径，其中包括在纳米磁体的帮助下读写存储数据。美国康奈尔大学的一个研究组展示了一种能效高得多的方式，通过实现纳米磁体磁化方向的翻转，可能会制造出一种微型“磁阻随机存取存储器”（MRAM，magnetoresistive random-access memory）。使用这种存储器，设备即使在关掉电源之后仍然能保留数据。在这项工作中，该研究组先用光刻法在一层金属钽中刻蚀出特定图案，然后导入电流。电流会导致电子自旋的偏转，偏转程度可以大到足以让临近磁体的磁化方向翻转。若想让自旋翻转回来，研究人员只须反转电流。当没有电流通过时，磁体就会保持原状，即便器件进入了休眠状态，其中的数据也还会保留着。这项研究可能催生可以瞬时开关机的智能手机、不再受待机电池电量损耗困扰的笔记本电脑等新设备。

“半生物半机械”的人造组织

有一天，于细胞层面上构建的、带有纳米电子器件的人造组织，可在人体内“半生物半机械”一般工作。不同于在已有器官中植入电子器件，在合成人造组织时，组织可以在含有多个纳米电子传感器的支架上生长。以这种纳米电子支架为基础制造的人造组织，可以探测和报告多种健康问题。这些组织可将神经系统的一部分同计算机、机械装置或其他活体组织连接起来。利用非常精密且有弹力的、能与单个细胞相连的纳米线，美国哈佛大学和麻省理工学院的科学家成功搭建了一个人造组织“支架”。研究人员说，他们的目标是要找到一种方式，将电子元件植入人体组织，让天然组织和电子设备融为一体，打破机械与人体的界限。

病毒发电

病毒可用于制造纳米发电设备。经过基因改造的M13噬菌体在这方面尤其在行。这种直径约7纳米、长900纳米的杆状病毒，能将机械能转化成电能（或反之）。利用这种病毒，美国加利福尼亚大学伯克利分校的生物工程师李承旭（Seung-Wuk Lee）研发出了一种压电生物材料，可以产生的电量，足以运行一块100平方英寸（约0.065平方米）的液晶显示屏。这一纳米制造工艺的基础，是大自然赋予病毒的合成生物材料的独特能力。更有利的是，病毒还能够自我复制、进化，并在原子级别的精确度上进行自我组装。通过收集类似心跳这样的震动能，基于病毒的压电材料能够为将来的纳米传感器和其他医学设备（无论是在人体外还是人体内）供电。

光子器件

利用光来传递信息的光子集成电路，应该能够加速电子设备的小型化。不过，光子器件的研制，会面临一个基本挑战：它们的最小尺寸存在一个极限。光的衍射极限，决定了无法将光限制在比其半个波长更小的空间里，同时，光波长比任何纳米电子器件本身都要大10～100倍。

目前，科学家正在想办法突破这个极限：利用固态等离子体激光器来传递信息。等离子体激光器是一个由纳米半导体线和金属线构成的网格，网格相互交错，形成了一个个方形空腔，可以用来产生激光。由于这些方腔可以小至衍射极限的1/100，大概就可以达到计算机芯片上晶体管的尺寸。如果研究人员能够成功利用纳米线制备出上述方腔，产生微细的激光束，那么就有可能以这一进展为基础，制造出足够小的、适于安装在微型晶体管之间的光学系统。美国加利福尼亚大学伯克利分校的张翔及其同事正在朝这个方向努力。

本文作者：米哈伊尔·C·罗科是美国国家自然基金纳米科技部的资深顾问。

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数字实验台

在数字模拟技术已经相当强大的今天，企业往往会在真正制造原型产品之前，先让产品的设计方案在数字世界中经受严格的考验。

撰文：詹姆斯·D·迈尔斯（James D. Myers）

是否拥有可执行高强度计算任务——即高性能计算（HPC，high-performance computing）——的强大服务器，决定了某项新技术是会欣欣向荣，还是会走向衰落。在企业制造出任何实体部件之前，这种“数字制造”就已经在几千到几百万个处理器中进行了。现在，日常消费品生产企业所使用的数字模拟技术，都要远胜于数年前那些大型制造企业（例如航空航天领域）初次使用该技术时的水平。这种策略降低了设计和制造的成本，也缩短了产品从设计到销售的周期。在计算机建模和复杂数字模拟的帮助下，我们能越来越多地了解某些部件生产出来会是什么样？它们怎样制成？由什么制成？以及它们组合在一起后的表现如何？根据摩尔定律，计算机的处理能力约每18个月就会翻一番。如此一来，高性能计算能力应该在接下来的数年内再提升1 000倍。所以，用美国非营利机构“竞争委员会”（Council on Competitiveness）的话来说，我们正在进入一个“靠计算能力来击败对手”的时代，也就不难理解了。

在下面这些例子中，我们将介绍一些最尖端的数字化生产技术，并为我们提供一些线索，以了解在不远的将来，技术的发展会将这一制造工艺导向何方。

工业制品

虽有宝洁公司的成功先例，但从传统方式转向基于高性能计算的数字化生产，仍然是一个巨大的挑战。这需要三种转变同步进行：从实体测试到计算模拟；从近似到更复杂但更精确；从故障诊断、事后维修到提前预判。

从19世纪40年代起，在美国的五指湖地区，ITT公司旗下的高质泵公司就为化学、采矿、能源等工业领域生产泵设备。与宝洁公司不同，高质泵公司没有内部资源来实现自己的数字化生产。所以，这家公司联系了纳米科技创新计算中心（Computational Center for Nanotechnology Innovations）——一个由伦斯勒理工学院、IBM公司和纽约州合作共建的研究机构。伦斯勒理工学院帮助高质泵公司，将其计算机辅助设计（CAD）图转变成三维的“网格状”模型——分割出数百万个小区域，工程师对每一个进行流体计算。他们还建立了一道设置、运行和分析泵的不同设计的工序。这样，高质泵公司设计出了一种新型泵，还获得了一个奖项。未来，大规模并行计算将帮助这家公司的工程师避免气穴现象（即形成气泡），防止设备效能的降低和泵的磨损。

在印第安纳州，杰科塑料制品公司（Jeco Plastic Products）也有相似的经历。曾有一家知名汽车厂商求购运输货盘，杰科公司当时提出了一种塑料运输结构，效能要强于国外竞争对手生产的金属结构。然而，为了制造和测试不同种类的塑料货盘原型，需要更换并重新安排生产设备。在还没有得到买家保证的情况下，项目的花费让人望而却步。并且，杰科公司也不能在自己的计算机上精确模拟这一新设计。所以，这家公司同美国珀杜大学和俄亥俄超级计算机中心（Ohio Supercomputer Center）合作，进行数字化研发，并测试自己的设计。这是被美国“竞争委员会”推崇的公私合作模式，通过研发软件、购买超级计算机机时，来培训小型制造企业掌握这项技术。最终的结果是：杰科公司收获了一个新订单，并打入了一个新的市场，可能获得2,300万美元的收入（根据他们自己估计），创造15个就业岗位。

能源系统

当有数百万种材料、制造工艺和设计可供选择时（而不是像爱迪生那样只面对几千种），同时模拟并探索许多选择，或许是研制出新产品的唯一途径。柔顺能源系统公司（Pliant Energy Systems）就很清楚这一点。这家位于纽约布鲁克林的新兴公司有一个革命性的设想：通过使用一种弯曲和折叠时就能产生电能的智能材料，可以利用水流来发电。理论上，“柔顺”公司的流体力学装置放在一条小溪中就能发电，或者可用于制造能自我驱动的灌溉泵。无论是设计方案的多样性、制备实体原型设备的困难性，还是了解设备运行情况的需要，都让预测性计算分析成为了关键一环。

对溪流中的水流进行数字模拟，需要进行海量的并行计算（将计算任务分配给许多处理器，以提高运算速度）。对于高分子聚合物做成的产电叶片或导管，要预测它们在流水中的弯曲程度，或者多长才合适，就需要把装置和水流模型放在一起分析，更不用说优化发电量了。就这项工作而言，目前只有最先进的高性能计算机能完成。同伦斯勒理工学院合作，“柔顺”公司赢得了美国小企业管理局（U.S. Small Business Administration）颁发的近30万美元奖金。部分获奖原因是，这项研究展示了一些数字化工具，以及实现低成本研发所需的专业知识。现在，这家公司已经可以模拟更精密的产品，以及用数字化的方式设计更加先进的原型产品。

“柔顺”公司数字化生产的成功事例，只是一个广泛趋势的一部分。伦斯勒理工学院生物与计算机科学系副教授克里斯·比斯特罗夫（Chris Bystroff），开发出了一种设计和生产定制蛋白质的技术。这些蛋白可以用作分子传感器，在登革热病毒或H5N1流感病毒存在时发光。同美国纽约州立大学布法罗分校合作，比斯特罗夫正在将数字设计整合到一个网络界面上。这样一来，过去几天才能完成的检测工作，将来几个小时内就能完成。

看起来，数字化生产或许像一个熟悉的概念，但随着更快、更便宜的计算机和不断增多的复杂软件的出现，意味着新的产品，无论是同牛仔裤上的污渍还是入侵人体的病毒作斗争，首次要在0和1的王国里一展身手了。

本文作者：詹姆斯·D·迈尔斯是美国伦斯勒理工学院纳米科技创新计算中心的研究及发展部副主任。

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未来7大新材料

下文中介绍的这7种下一代新材料必将改变组建世界的方式。

撰文：史蒂文·阿什利（Steven Ashley）

坚固柔软的气凝胶

在具有超强隔热性的气凝胶中，85%以上的体积都由空气占据，所以它们又被称为“固体烟雾”。不过，现有的二氧化硅气凝胶像廉价的泡沫塑料一样脆弱易碎。美国航空航天局格伦研究中心和俄亥俄航空航天研究院的科学家研制了一种坚固得多的替代品。他们发明了一种新型高分子聚合物气凝胶，其强度约为二氧化硅气凝胶的500倍，由具有阻热性的聚酰亚胺塑料制成，十分柔软，以至于能对折。美国航空航天局的工程师们希望，能将它们用作航天服的隔热材料；或用在类似降落伞的减速器中，以便将大型运载物安全投送到火星表面。

“长生不老”的充电电池

目前正在研发的基于纳米管的充电电池，使用寿命能够延长20倍。在通常使用的锂离子电池中，由于带电锂离子的往复运动，阳极（正电极）常常会不断地扩张和收缩，很容易导致电池损坏。而美国斯坦福大学研究团队研制出了一种由硅纳米管制成的阳极，外面还包裹了具有渗透性的氧化硅外壳。有了这种坚固的外壳，纳米管就不会因为锂离子运动造成的过度扩张而损坏。一般来说，目前的锂离子电池能经受300到500次的充放电周期，而这种纳米管电池历经了6,000次充放电后，仍能保持高达85%的初始电容量。

让世界更光滑的表面涂层

一种新型的表面涂层是如此滑溜，能让磨拉石（一种表面粗糙的沙石岩材）的表面都像涂了橄榄油一般。这种名为SLIPS（slippery liquid-infused porous surface，意为滑溜的液体浸渍多孔表面，这个名词的缩写本身也是“滑”的意思）的材料，能够降低原油输油管内表面的摩擦，防止飞机机翼结冰，或者用于剥离墙上的喷涂涂鸦。这种化学性质并不活泼的物质，是由哈佛大学维斯生物工程研究所的科学家研制出来的，它能够渗入多孔或有纹理的固体（例如混凝土墙壁），来形成一层平滑的薄层。

可弯曲的混凝土

人类使用混凝土有着上千年的历史，而可以像“布”一样弯曲的混凝土预制板的出现，让建筑工人们从千年以来的限制中解放了出来。他们无须将混凝土一次性浇筑到位，而是可以在需要的地方对它进行调整。在使用前，这种材料可以像布一样，绕裹在一根圆筒上，放置起来。而使用时，工人只需把它们展开，喷上水，吸水后它们就会很快变成坚硬的混凝土块，进而可用于修壕砌沟、保护坡面或加固墙体等。这种材料的上下表面都是纤维层，两层纤维之间也有纤维相连，而混凝土粉就填充在两层纤维层之间。这些纤维和干燥的混凝土可以将水分吸入“布”中，一旦材料重新干燥，交错连接的纤维就会和混凝土一起，形成坚固的材料。

防火军服

士兵的军服应该能够抵御火焰和高温，但现有的保护性布料要么需要使用厚重的涂层，要么无法有效地起到隔热作用。美国米利肯—康普尼公司（Milliken & Company）将目光投向了一种出人意料的布料：棉布。化学家用一种含磷的添加剂来处理棉纤维，促进纤维燃烧时的碳化过程；碳化后的物质，就可以隔离其他布料，阻止进一步的燃烧。

革命性的合金材料

金属制造业中最困难的挑战之一，是研发用于军用飞机起落架的特种合金。这种合金不仅要非常结实、坚韧，同时还得非常轻。美国西北大学的材料科学家格雷戈里·B·奥尔森 （Gregory B. Olson）领导的一个研究小组发明了两种抗锈蚀合金。不同于现代飞机起落架目前使用的贵重钛合金和钢，这两种新型合金不再需要有毒的镀镉层来抗锈蚀。研制过程中，研究人员使用了具有革命性影响的、能够模拟化学热力学的计算机模型，这两种合金也是通过这种方式研发的首批材料。

来自植物的无毒塑料

目前，双酚A（BPA）广泛用于制造透明、抗碎的聚碳酸酯塑料车灯、眼镜片、DVD和婴儿奶瓶，但这种物质对人有潜在的健康风险。而一种从植物中发现的复杂天然高分子聚合物或许能取代它。中国台湾工业技术研究院的研究人员，正在使用木质素作为基本构建材料，来制造新型的无毒塑料，比如用于食物容器内表面的保护涂层，以及聚胺酯泡沫和聚酯的替代品。

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我的领导是个机器人

人类和机器人将在工厂肩并肩地工作，但他们谁是谁的领导？你肯定想象不到。

撰文：戴维·伯恩（David Bourne）

这是道森－哈格蒂的第一份专业工作。他刚刚获得了硕士学位，随后进入了卡内基·梅隆大学的机器人研究所担任工程师，所以他刚开始比赛时还有一点紧张也情有可原。其实，我更担心的是他的搭档，虽然“他”足够可靠，但总的说来还是缺乏人类的技巧。

这里所说的那个“他”是一个机器人，同那些巨大的、我们经常能在福特或通用汽车公司的生产线上见到的工业机器人相似。然而，这些“毫无人性”的、动作迅猛的自动化机械“怪兽”需要在保护罩里运行，以保证人们处于安全距离以外。与那些机器人不同，这个4米高，具有一个机械臂、名为“喷火”（Spitfire）的焊接机器人经过我们的改进，配备了一部可以充当“眼睛”的激光器，能同人类并肩工作。此外，在工作中并不是由道森－哈格蒂下达命令，这个“两人”小组的合作更像是以另一种方式进行：首先，根据谁能更有效地完成某项任务，道森－哈格蒂和“喷火”会将那些颇具难度的定位和焊接工作进行分配，并由机器人来指挥工序的进行。其中，做出决定的往往是机器人，而非人类。

经过如此的分工合作，道森－哈格蒂和他的机器人搭档花费了10个小时和1 150美元（包括原材料和人工费用）来焊接出这个框架；而作为对照组，我们雇的焊接专家完成同样的工作花费了89个小时不说，还收了我们7 075美元！

人类若能同机器人合作（或反之），所带来的潜在经济效益将是巨大的。工厂将不再需要耗时耗力地设置那些繁琐的组装线，可节省数十亿美元的设备安装费用。对畅销产品进行改进也不是什么问题：人类与机器人合作组，能为客户设计、制造从电子设备到飞机的任何定制产品，而不需要进行昂贵的设备革新。这项技术将能让制造企业迅速对用户需求作出响应，产品的更新周期将以数周，而不是数年来计算，工人们也能从多变的工作挑战中获得回报。由于以上种种以及其他更多原因，我们需要认识到：最终由机器人来领导工作团队，而非仅仅从事生产，效率可能会更高。

安全的合作

有一个问题总能引发很多的讨论——究竟什么才是“机器人”？在机器人研究领域，对它的定义是能够自动感知、思考和行事的机器。这其实并不完全准确，你家空调的温度调节器就能做到这三点，你却不会认为你的房子是一个机器人。两者的区别在于，温度调节器只是房子中的一个小部件。只有当“机器人自动化”体现于某一物体的核心功能的时候，该物体本身才能被认为是一个机器人。比方说一辆自动驾驶汽车，如果它能用传感器和人工智能来实现自动驾驶时（汽车的基本功能），它就变成了一个机器人。

过去半个多世纪里，制造企业已经在通过使用工业机器人实现自动化，来提高生产效率，并且它们工作得很出色。虽然机器人一直被用作执行特定的重复性操作（例如为生产线上的每辆汽车焊接一组特定的接口），但是人类已经对生产线进行了精心的安排和设置，来充分利用机器人强大的力量和高度的精确性。总部位于瑞士苏黎世的ABB公司的顾纯元博士说：“利用先进的机器人，制造企业能够大幅提高产品质量和工业生产率，同时也能提高能源效率，帮助中国等国家实现产业转型和升级。”

这种模式在生产汽车这类大批量制造的产品时很有效。比如ABB公司最近就宣布，将为位于中国重庆的长安福特公司的新工厂，提供整条白车身机器人焊装生产线（白车身是指完成焊接但未涂装之前的车身），这条生产线不仅可以支持不同车型的生产，还能让长安福特的生产效率提高15%。然而，随着个性化或定制生产需求的增加，制造企业要越来越多地根据用户需求制造小批量产品，而用于设定制造工序（例如焊接或加工）所需的时间就成了一个主要瓶颈。让机器人从事特定工作需要的准备时间太长，有时得好几个月。其间人们必须安排焊接顺序，重新组装部件，为机器人编写程序，准备库存材料，以及优化焊接参数。

道森－哈格蒂这样的人类同工业机器人的合作，能够极大缩减重新设置工序所需的时间。以前，程序员使用特殊的代码来告诉机器人如何运作。现在，一个产品的计算机辅助设计（computer-aided design，CAD）文件，就是设置一条智能生产线的全部所需，计算程序随后会将文件中的设计翻译成机器人的任务清单。

然而，设计生产线并不是唯一的挑战。机器人和人类曾有过糟糕的合作经历：工业机器人不停地从这儿移动到那儿，而且根据其“本性”，它们不达目的不罢休，无论是否有人类挡在前面。制造企业为它们的机器人编程，让它们一遍又一遍地重复同样的工作，直到某个部件损坏为止。如果有障碍物阻挡了它的移动，工业机器人就会进入错误状态并自动关机。这种情况虽然比碾过什么人要好些，但对生产没什么好处。想象一下，如果人类和这些“同事”只是在彼此互相过于接近时暂停一下，就可以少耽误多少工作？

下一代工业机器人将得到本质上的改变，可以足够安全地在人类周围工作。如果一部机器人不慎撞到了人，其撞击力应该不是致命的，或者压根就不足以带来危险。机器人将了解厂房里人类所处的位置，并且它们应该能够运用声音、姿势、“面部表情”、文字、图形等手段，同它们的人类同事交流。

机器人生产商已经在生产符合现代制造业劳动力需求的机器人了。比如，ABB公司研制了具有两个机械臂的“弗里达”机器人（Frida），可以安全地在人类周围工作。与此同时，总部位于美国波士顿、由iRobot公司创始人之一罗德尼·布鲁克斯（Rodney Brooks）建立的“新思维机器人公司”，研发出了“巴克斯特”机器人。它不仅具有两个机械臂，还装备有一个传感器阵列，所以对它编程要比前几代机器人都容易。

利用简单的学习算法和图像处理，操控员就能人工引导这部机器人做一系列动作，来实现对“巴克斯特”的编程，然后它将重复这些动作。例如，如果一个人为“巴克斯特”演示，如何从运行的传送带上捡起部件，“巴克斯特”就会改写相应程序，来学习做出同样的动作，即便是部件出现在传送带上的时间和位置都不固定的情况下也能如此。

位于美国加利福尼亚州门洛帕克市的Willow Garage公司，已经研制出了一部名为PR2的移动展示机器人，拥有两条“胳膊”、一个“脑袋”和一个传感器阵列。与“弗里达”和“巴克斯特”类似，这家公司设计PR2的初衷，就是用来安全地同人类并肩工作。在卡内基·梅隆大学，我们还让PR2机器人做“服务生”，在嘈杂混乱的环境中为客人们提供饮料和点心。

分工合作

“喷火”不仅能向人类学习，它还足够聪明，能指导人类工作。“喷火”会将一个大工程分割成小步骤，并客观地根据“谁”（机器人或人类）能更快地完成，来分配这些任务，而不会主观地优先考虑某一方。

道森－哈格蒂和“喷火”的车架焊接工作，始于从车框架的CAD文件中提取“物料清单”。基于这份清单，机器人中的计算机自动安排从供应商处订购哪些部件，及如何将标准尺寸的钢管切割到精确的长度。随后，计算机会计划最佳的焊接工序，并给出部件的最佳固定方式，来让它们在焊接过程中保持稳定。

我们还为“喷火”装备了一部小型投影仪，让它能够直接将图像和文字投射到框架上。这些图像增强了实体的表现性，机器人能用它一步一步地引导道森－哈格蒂，来设置复杂的制造进程，包括车间里部件和装置的配送，以及焊接工序等。道森－哈格蒂将所有的材料部件都放置到位——从事这些通常被认为是“苦力”的工作，人类其实是更好的选择。因为这些相对较轻的部件形状多变，人类的手很容易握住它们。

“喷火”还能使用激光位移传感器来精确感知三维工作空间，并检查确认所有部件都被正确地放置。利用投影仪和传感器，它能用光在车框架上标注出精确的位置，并在焊接装配过程中指引人类工作。

这个焊接小组将需要焊接的部件安排好之后，“喷火”就接手进行快速的焊接工作。“喷火”不仅仅是一个动作极快的焊接工——完成一个5厘米的焊接只需5秒钟，它的焊接技术也是超一流的。通常，在开始每一项焊接工作之前，专业焊接工要调整约20项重要的焊接参数，例如电压、焊接速度、焊条的补料速率等。在实验中，我们引导“喷火”来设置试焊接工作，其间它可以独立运行，来对所有这些变量进行最优化。随着这些试焊接的进行，“喷火”会测试这些试焊接的效果，并调节自身的设置来进行改进。可以说，这部机器人通过自学而成为了一名专业的焊接工。

考虑到车框架需要400个焊点，“喷火”的高速和高质量的焊接能力是巨大的优势。但是，“喷火”还不完美。在某些情况下，这部机器人无法完成一些特定的焊点，所以它会指引道森－哈格蒂过来帮忙，完成一些棘手的工作。

前途光明

虽然现在还很难准确预言，多久以后人类与机器人合作组才能首次在工厂中闪亮登场——制造企业在引进新技术时往往拖拖拉拉，但是由于智能自动化的明显优势，应该能够促使它们在未来5年内接受这种协作系统。自1952年库尔特·冯尼古特（Kurt Vonegut）在其小说《自动钢琴》中提到“黑灯”生产（自动工厂完成全部工作，不需要人类参与，也就不需要灯光照明）以来，我们眼中的先进生产已经历了很长一段发展过程。小说中，随着故事的进行，自动化让人类劳动力成为过时产品，但同时，也让人类因自身毫无意义的生活而心生怨恨。这是一条无法接受的 （也是不必要的）道路。

相比之下，更好的一条发展道路是，机器人和人类紧密合作，并根据二者的能力来对生产进行动态分配。我们希望，人类也能在深度参与生产制造的过程中得到快乐，即便时不时地让机器人发号施令也无妨。

本文作者：戴维·伯恩是美国卡内基·梅隆大学机器人研究所的资深系统科学家。