经济学人科技季刊选译

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“我从不依赖数据，”爱迪生说。“我只做实验，然后推理出结果。”爱迪生测试了种不同的材料，从椰子纤维到钓鱼线，甚至还有同事的头发胡子，他终于一种合适的材料来当白炽灯泡的灯丝。年新年前业，他在新泽西的实验室证明了这一点。所有的这些艰苦的实验及其细节都保存在爱迪生超过页的笔记本里，但他的解决方案很快就取代了。20世纪初的钨丝有着更好的亮度和燃烧时间。多年里整个世界被钨灯丝灯泡点亮。

现在灯泡被发光二极管(LED)所取代，它能比钨丝更有效将电能转化为光，且使用时间更长。LED在年左右被应用于电气设备之中。今时今日，LED们为建筑物，街道和汽车提供强大的照明。甚至在全球最贫困地区，人们可能也从未见过老式灯泡。

爱迪生的灯泡和LED都是材料科学的发明，这门科学致力于将材料转化为新的有效的形式。近年来材料和科学之间的关系变得更加复杂。锗或硅等半导体材料可以制成发光二极管，而后会添加一些其他物质。其中光的产生是与物质微观结构和原子相关，这就涉及到了量子理论。

对于材料的微观属性了解的更为透彻，不仅能让我们更好的制造旧产品，也可以开发新产品。在爱迪生那个年代，船和船之间的通信通过灯光的摩斯密码完成。而现在的激光半导体可以再一秒钟内闪烁数十亿次，这里面蕴含的数据量是惊人的。从DVD，扬声器，到超市结账的或者横跨大西洋光纤，都是镭射二极管的应用。尽管看似抽象，虚拟世界是建立在真实的材料之上的。

现这个时代被科学家称作材料的“黄金时代”。新的高性能的物质，如合金和复合材料超级正在开发；“智能”材料可以记忆他们原有的形状，并进行自我修复或自行装配。微结构的改变，可以把材料变成性质完全不同的“超级材料”——纳米技术的倡导者认为事物由原子组成。大量的新材料和新思想，使我们更佳的利用旧事物，也创造出从未有过的新事物。

大学里的材料研究蓬勃发展使得商业文化更有活力，生产技术上也有很多的创新。很多发明可能无法商业化，但是没准其中的一些能够改变世界，就像灯泡一样。

能够对物质世界的深入理解得益于近一个世纪以来物理和化学的进步。但这仅仅是简单的理论成功，工具也是十分重要的一部分，比如电子显微镜、原子力显微镜和x射线同步加速器等等设备的发明，使得科学家可以进行非常详细的测量和研究，这在以往是不可能的。

曼彻斯特大学国际中心研发的先进材料证明了这种进步。在实验室的科学家们正在使用二次离子质谱(SIMS)研究是氢原子是如何在材料之中扩散的，这个过程会导致小裂缝。SIMS用一束带电粒子轰击样，导致次级粒子从表面逐出。整个过程被数组探测器来记录成一个图像，图像的分辨率可以达到50纳米(十亿分之一米)。“我们现在一个下午就可以完成以前好几个月的工作量。”大学教授PaulObrien说。除了拥有更好的工具，研究还受益于大幅增加的计算机的计算能力。这使可以他们详细研究虚拟材料的属性。

“我们身处一个盲目的时代”GerbrandCeder说，他是加州大学伯克利分校的电池专家。与劳伦斯伯克利国家实验室的KristinPersson一起成立了一个材料项目，使用超级计算机编译所有已知的和预测的化合物的性质。他们的目标是研究人员不再需要以某种特定属性的材料出发进行研究，电脑能够很快的筛选出所需的材料备选。他们的出发点是所有材料都由原子组成。每个原子的性质如何取决于它由哪种元素构成。元素都有不同的化学性质，取决于原子的外层电子——形成不同的化学键。

这个项目基于无机材料领域，模拟了种材料，五年后可能达到000种。项目的工作人员称之为“材料基因组”。“十年内这些数据将对材料设计的研究人员公开，他们可以交流这些信息。”Ceder人先生说。“以往这些都是不可能的。

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纳米粒子往往被视为一种新的，人为的发明，但事实上它们早就存在于自然界中。火山喷发的烟、海盐里都可以找到它的踪影。材料科学家们感兴趣的是，随着现代加工技术的发展，把许多散装物料变成纳米颗粒——直径小于纳米（一米的十亿分之一）——也不是不可能。这样做的理由在于，纳米粒子可以通过量子力学等功效大大提高甚至产生新的性能。由于纳米材料具备一些物理，化学，以及与粒子大小相关的各种独特地光学特性，工程师们通过将纳米粒子纳入其材料中，也可以获得这种属性。

纳米技术的运用不仅可以大大提高性能，甚至可以产生新的功效对纳米材料的微观结构的应用，最重要的就是电池。这也已经成功地运用到了如铅，镍镉等各种材料。除了还有剧毒之外，体积也比较，因此在20世纪80年代移动电话都是砖块状。可充电锂离子电池可以帮助它苗条下来。

几十年来，科学家们一直努力地想将锂变成一种电池材料，因为它重量轻，且具有高导电性，但从实验室转向大规模生产仍比较困难。由于锂的内在不稳定性导致其不能应用到金属形式中去，所以研究人员转向了一些含有锂离子更安全的化合物。年，索尼公司成功地推出了一款商用锂离子电池，开启了便携式消费电子产品时代。

目前，这种电池已经可以实现给各种类型的设备充电，包括智能手机、笔记本电脑、电动工具、电动车和无人驾驶飞机等。尽管一些制造故障和过分充电会导致其过热甚至起火燃烧，但经过一系列早期的笔记本电池召回事件以及汽车、飞机等火灾事故之后，制造商现在似乎已经找到了很好的解决办法。

然而，对更好电池材料的探索仍在继续。对电动车来说，电池材料的改变是一场大变革。目前，电池电动车每千瓦时可能花费-，占到车价的30％，但可以看到的是，成本是处于下降趋势的（见图表）。十月份通用汽车公司表示，其预计将于年上市的雪佛兰博尔特电动车，每耗费1千瓦时的电量仅需。业内人士认为，一旦成本降低到每千瓦时约时，电动汽车将成为主流，将能够与那些不享有补贴的各种规模的汽油车竞争。

要想真正实现锂离子电池的全能利用，仍需要解决一些材料科学的难题。锂离子电池通常是夹层结构，中心材料为电解液，通常为一种液体或凝胶样物质，通过该电解液，锂离子可以来回自由地穿梭于电极之间。

锂离子电池的功能正变得越来越完善。Jeffrey“JB”Straubel，特斯拉电动车加州制造商的首席技术官说，公司目前S型电动车上使用的电池与十年前的第一款车theRoadster相似。但随着化学和生产技术的改进，其存储量增加了50％。特斯拉与日本电池供应商松下联手，在内华达州建立了一个价值50亿美元的工厂，以推动汽车电池的成本更加低廉。它也推出了一款新的新特斯拉电池Powerwall（如图所示），即使在家里，它也能用于储存太阳能电力。

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宝马在Leipzig的汽车工厂结构奇特，由ZahaHadid建筑师设计。工厂生产各种各样的汽车，所以毫不奇怪这里有大量的完美同步的机器运转，因为他们的组装的精度是人类达不到的。但奇怪的是这里异常安静，没有任何焊接火花或者雷鸣般的五金冲压机器。线索就藏在组件的颜色之中。这些组件并不是常见的银，钢或铝，而是黑色的，叫做碳纤维复合材料。

这个工厂有很多不同之处。“我们不焊；我们没有铆钉,也没有螺丝和螺栓。我们将组件组装在一起。”部门的负责人UlrichKranz说道。这个工厂自年以来一直生产宝马i3和i8电动和混合动力汽车。碳纤维结构保证了车辆的强度，外板则是塑料制品。这些只需简单的喷油漆流程即可，如果是金属结构的话，就需要为了防腐而精心设计并且支付昂贵的油漆费用。总之,这个工厂比传统的设备的用水量和能源都少用50%。

i系列虽然是高档汽车,但是仍然是批量生产的。到目前为止宝马成使用新材料还只在小范围内，只有航空和国防业才能接近批量生产。年宝马董事会要求MrKranz创造出新的电动汽车低能耗的生产系统，MrKranz和他的团队绞尽脑汁，最终选择了碳纤维材料——可以抵消电池的重量。碳材料是由薄丝编织成布，然后用热量与压力，压制成的不同的形状和纤维，与塑料树脂结合在一起。碳化合物的分子结构能产生强大的化学键，比如那些钻石，通过调整纤维在不同角度的强度可以满足不同组件的需求。

最后的结构比钢强，质量比钢是轻50%，比铝轻约30%，还不易腐蚀。但碳纤维以前的生产过程十分昂贵，缓慢，而且是劳动密集型的。生产战斗机或一级方程式赛车时，这些缺点并不明显。但即使是飞机制造商，在生产碳纤维客机时也不得不考虑生产速度和降低成本的问题。这些碳纤维能够使波音客机，空客A和A的重量减少一半。更轻的飞机燃烧更少的燃料,因此实现较低的排放。由此，他们还可以携带更多的乘客，实现更远的航程。有的飞机制造商已经找到方法来加快生产过程，但碳纤维对于汽车生产来说，仍过于缓慢而昂贵。

宝马解决这些问题的方案是创造一种不同的工厂和新的供应链。它始于日本企业Otake，它由SGL公司,另一个德国公司以及三菱人造丝合资而成。他们生产了一种产品，叫聚丙烯腈热塑性,看上去有点像一大卷钓鱼线。宝马和SGL碳素集团合作，将产品横跨太平洋运往摩西湖华盛顿州的工厂。位置选在此处的原因，是因为它可以使用本地生成零排放的水力发电。

这种黑色原料由加热而成的碳化黑丝构成，直径只有大约7微米。将00条这种细丝捆绑，就像纱纺织工厂一样卷在一起。而后这些碳化细线穿越大西洋到另一个BMW-SGL合资企业,在慕尼黑附近的Wackersdorf。在这里他们被融化分层，最终像地毯一样。

当这些堆栈到达Leipzig工厂后，被加热并压制成一个三维的雏形。各种雏形放置在一起，构成一个大型建筑物。再次被压制时，会被注入模具，焊接并固化成最终组件。这个过程通常只有几分钟。机器人负责转移，并将它们组装成汽车的主体结构，然后沿着生产线加入不同的组成模块和驱动模块——一个铝底盘、电动机、电池和其他组件。

MrKranz预计碳纤维将汽车生产中更广泛的使用，但他认为汽车始终是混合材料的产品。宝马新7系的汽车现在已经包含一些碳纤维部件。其他汽车制造商也开始使用这种材料——苹果公司之前已经传出消息要生产电动汽车，有媒体称其已与宝马就碳纤维开始谈判。LuxResearch的分析师AnthonyVicari预测，到年代中期的碳纤维将在汽车制造业广泛使用。

但这个过程并非一帆风顺。和其他行业一样,传统材料也越来越优质——铝供应商在开发新合金。“铝目前还是主流，但供应商们必须快速的推进新材料，否则很快整个行业都将消失”空客的首席技术官JeanBotti表示。Alcoa是美国铝业的领头羊，正在开发轻质合金，Micromill就是其中一种，这种材质可以更容易快捷的被压制成错综复杂的形状。福特已经开始使用它来取代f-皮卡的一些钢组件，这种车型是美国最畅销的车型之一。

MrBotti表示，最终的趋势是,制造商们拥有材料方面更广泛的选择。他同时认为碳纤维虽然在航空业创造了奇迹，但它现在还是主要用于大型远程飞机，每个月只能生产很少的几辆。要想提高碳纤维在小型飞机的使用率,航空公司必须进一步加快生产和降低成本。“我们正在开发新技术，以更多的降低碳纤维的成本。空客和波音公司都计划提高短途飞机产量——A和分别每月达到60架的产量。”。他同时还警告说，应该特别注意材料的选择。

空客公司也在开发自己的新材料，其中一种合金叫Scalmalloy，特别适合制作轻质高强度的组件。它已经被一家空客子公司商业化，用于一些赛车的制造。粉末状的Scalmalloy也可以用于另外一种革命性的制造方式——加法制造,俗称3d打印。

4

汽车制造商需要花一年来建立一辆新车的模型。机器的生产是费力而昂贵的，因此大部分工作是由手工完成。但是田纳西州的研究人员发明了有一个自动化的系统，称为BAAM。大多数人会称之为3d打印机，只不过这个特别大——它是用来打印的汽车。

研究人员在橡树岭国家实验室工作，这里专门负责探索先进的制造方法。BAAM的原料是从各处拼凑而来的工厂装备，由机床公司Cincinnati公司合作提供的。在最近的一次实验中,成功制造了年代的经典跑车ShelbyCobra的大部分的车身和底盘电动。打印的车辆部分使用的混合物由80%的聚合物和20%的碳纤维合成，重量只有公斤。团队花了六周时间来设计、打印和组装汽车。

有些公司,比如凤凰城的当地汽车公司,使用3D打印技术生产数量有限的汽车，但3d打印作为批量生产来说还是太慢了。即便如此,它仍将很快成为汽车工业的一部分,橡树岭国家实验室主任汤姆·梅森所说的那样,不仅仅是模型或者定制车辆。这种技术已经很大程度上转移到低工资国家。“现在我们可以在一夜之间打印出这些东西来。”梅森先生解释道。

3D打印机已经吸引了公众的注意力。近年来,硬件和软件的改善已经大大推进了基础技术的发展——已有20年的历史。依赖于材料分析的进步,塑料、金属、陶瓷和生物原料都可以进行打印。打印机也从几千美元的庞大的怪物到现在打印金属零件只需成本1美元。

打印东西的大小取决于在机器内部的设置。现在一些打印机,如BAAM，可以生产比打印机更大的东西。MX3D是由荷兰设计的打印机，计划打印长达15米的横跨运河的人行桥。Winsun,一家中国公司,使用快干水泥的混合物和回收建筑废料打印建筑物的一部分,还有阿齐姆孟斯图加特大学打印了股碳纤维的一次性亭台楼阁等建筑结构。

3D打印的优点在于，材料只在需要的地方出现，所以几乎没有浪费。在传统制造业80%的材料是被切掉的。此外，可以运用软件来进行设计，并运行打印机。软件很容易调整，每次都可以产生不同的设计，无需重启机器。这种技术还有助于运用新材料制造复杂形状的产品,可以产生巨大的性能收益。尽管3d打印技术大规模生产目前仍然是缓慢，但在钢铁和塑料行业这个缺点并不明显。

“3D打印技术给予了我们一种全新程度上的自由,”通用电气研究所Idelchik先生说。该公司花了五千万美元在阿拉巴马州的Auburn公司安装一个3d打印设备，该公司与一家产生法国公司合资，生产喷气飞机燃油引擎公司。通用电气计划通过3D打印0台引擎，但最终这个数字可能达到台。这种引擎是十分复杂，而且必须能够承受高温和压力，通常它是由20个不同的组件组成，并使用一种“超级合金”，由钴粉、铬和钼构成。由此生产的引擎是比一般的轻25%，耐用五倍，并且可以使用传统制造方法无法应对的材料。“3D打印制造肯定会成功，并且替代现有流程，”英国公司GKN的航空发动机主管HenrikRunnemalm说。GKN的飞机的发动机已经应用了一些3d打印组件，与传统技术结合。

3D打印有巨大的潜力，因为它可以改变材料的性质。橡树岭国家实验室的研究人员正致力于在不同部分的组件通过微调热层建立一个金属的晶体结构,希望能获得不同的性能特征。“这是全新的，”梅森先生说。“完全不同于现有的设计。”

3d打印技术可以做到更多。Modumetalnanolaminates也由3D打印技术制造生产。“整个过程发生在室温中，这意味着金属可以被添加到3d打印中,创建混合塑料金属复合材料。”Lomasney女士说。通过逆向运行过程可以溶解的金属组件后,它可以再次使用。“我们还没有进入回收的业务,因为部分还没有返回给我们,“Lomasney女士解释说,“但在理论上是可能的。“对于许多新材料，能够回收将成为一个重要的要求。”

扫描CarlBass

——Autodesk老板评价制造业的未来

CarlBass说：“我并不认为我能够和“新材料的黄金时代”走的一样长远，但我们至少赶上了黄金增速的阶段。他认为在地平线的另一端，是一个用完全不同的方式使用材料和制造东西的世界。

作为创造了计算机辅助设计(CAD)软件的Autodesk公司的首席执行官，Bass先生试图探求制造业的未来发展方向。AutoCAD是Autodesk最知名的产品，是用于生产的程序套件的一部分。这个软件的应用比如，最近建成的了-楼上海中心大厦(中国最高建筑)、桥梁、道路、特斯拉电动汽车,挪威国家石油公司的海上石油钻井平台,手表,鞋子,轰动一时的电影和视频游戏等等。他们之间的联系是分析高分辨率图形的能力。近年来，制造品越来越多地以一个虚拟的形式出现在生活中。

Autodesk及其竞争对手的软件也可以用来测试原型和生产流程。可以在实际生产之前测试，这大大加快了流程，降低了开发成本。

随着机床的发展,CAD软件帮助人们更好的进行传统材料制造,Bass先生表示，新材料还有很长的路要走，“现在人们很擅长使用钢铁和铝;但还不太擅与碳纤维之类的东西。”许多公司仍处在所谓的“黑色铝”阶段:采取设计的一部分是由铝组成，另一部分则由碳纤维组成。但不能结合两种材料的性质差异，就无法为新的设计提供了可能性。

最新的工程软件包含了测试材料特性的功能，使其能够模拟以不同的方式与新材料生产产品。Bass先生解释道。“你可以进行数字模拟越多,你就越能更好的知道如何开发它。”

3D打印等新技术大大增加了选择。以前不可能的设计都能实现。但Bass先生并不认为3D打印能进行大规模生产批发或者进入每个家庭。结合传统制造业和3D制造才最好的选择。

从康奈尔大学毕业后，Bass先生在年创立一个计算机图形公司，此公司于年被Autodesk公司收购。年他离开了此公司，但很快就回来，并于年接任Autodesk的首席执行官。此时正是从二维设计软件向3d程序过渡的时期。现在巴斯先生开始了另一个转变：从软件大众化到订阅个人模型化。这使得一些投资者担心其短期对收益的影响。与此同时大部分软件转移到云上，这将降低用户的前期成本，并提供更多的“现收现付”服务。这是一个很大的转变，但Bass先生非常确定这是一条正确的道路。

Bass先生也向消费者推荐设计软件,如SketchBook,在基本版是免费的，同时他也为学校和学院提供免费软件。Autodesk还运行一个Instructables的网站，在上面人们可以就制造东西的想法进行交流。这个网站一个月有三千万的独立访问量。除此之外，Bass先生有自己的独立工作室，最近他和他十几岁的儿子威利在那里一起造了一量自动驾驶的卡丁车。

这样的追求使Bass先生成为硅谷“制造者联盟”的标志人物。“制造者联盟”是一群在全世界范围内的爱好者，艺术家等等。一开始他有点怀疑的这些人，“一群潮人在年醒来，并开始了制造者运动，就好像我们才是第一个制作出什么东西来的人。”他说，“不过,我很高兴看到，数以百万计的人们离开他们的电脑并开始自己制造东西。”

5

虽然回收将变得更加复杂，但更广泛的材料选择会改变制造业对自己产品的整个生命周期负责，给制造商带来了越来越大的压力。这涉及到要考虑每一个阶段的能源耗费、环境生态影响以及从原料的开采到生产，销售，并最终回收利用或处置。随着原材料变得越来越复杂，整个过程也变得更加棘手。

要想判断一种元素对对材料有什么影响的传统方法就是去掉这种元素，看看它会带来什么样的影响。比如，一个含铅的物品对你没好处。但如果有一点锰，它可能就是安全的。伯克利的雪松先生说：“这个方法早就该淘汰了，因为很多时候，影响你身体的并不是这个化学元素本身，而是其所表现出来的形式。”

这使得纳米颗粒的应用特别困难。关于纳米会给生态环境以及人身体健康带来哪些影响的问题，已经做过大量的研究，但其中很大一部分仍尚无定论。瑞士国家科学基金会发起的一个很大的为期五年的纳米实验将于年公布其研究成果。

作为一个高度发达的地区，南澳大利亚已经有了大量的纳米产品，其中一些还被应用到了排水系统。这里非常缺水，大量污水都被回收再用于施肥。这就需要瑞士联邦实验室从事材料科学技术研究方面的研究人员创造出一个相对封闭的系统。

对较大的物品来说，报废回收的问题也同样具有挑战性，而且相当明显。空中客车和波音公司都有专门回收碳纤维客机的项目。在该行业，至少应该将数量限制在几千以内，但是，如果汽车制造商要采用更大范围的碳纤维，数百万的旧汽车将必须被处置。有时候，材料可以经分解后再在较低级部件使用。

对特殊材料的回收很有必要。有些元素价格昂贵，也很难找到，它们可能只存在于少数几个国家，比如说中国可能有严格的供应限制。一些稀土，也很少会被大批量的被发现。这些物质正被越来越多地使用在电动和混合动力汽车中。随着这些物质的普及，迫切需要尽快找到拆解和回收材料的新方法。

所有这一切都指向的结论是，制造业将变得更加复杂。3D打印工艺的出现使得效应不再与规模经济相关，允许小批量生产和快速定制。随着劳动力成本占总生产成本的比例的收缩，将生产环节转移到低工资国家的动机不再那么明显。但这并不意味着外国公司会放弃把加工环节转移到中国。

10年前，人们普遍认为，世界汽车产业的高门槛会造成行业压缩。而现在的情况是，新的汽车制造商正不断地产生，不只是特斯拉，有可能苹果公司未来也会做汽车业务。莱比锡的宝马工厂，使用的是标准的工业设备和机器人生产。是什么使得它如此特别呢？“我们之所以遥遥领先于我们的竞争对手，是因为我们拥有完整的工艺技术以及对未来材料发展的准确预测。”宝马的克兰兹先生说。

未来将会有更多的公司专注于选择其使用的材料，试错的日子即将结束。电脑技术的不断向前发展使我们能够更加方便快捷的获得信息，3D技术的出现，也使得产品更轻薄。要想更好的掌握各种各样复杂的材料以及它们的设计，生产，供应链和生命周期管理，还需要那些拥有新技能和丰富创新能力的人才，总之，制造业正在进入一个新的时代。