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如何让新一代材料走出实验室,走向市场?
大纤维产业工作组:编材制造或将成为制造业新蓝海

2020-04-23 08:42:00

  本报实习记者 赵萍

  近年来,随着大纤维逐渐被认可,社会对这个涉及材料、信息、机电、生物、能源等多个领域的,具有智能、绿色、超能、连接四大特征的新一代纤维家族的期望值也在不断提高。目前,已有一些大纤维产品面世,如智能可穿戴产品等,但受限于配套批量化工艺和设备技术不够完善,大多数大纤维产品仍然在实验室研究阶段,商业化进展缓慢。如何让新一代纤维产品走出实验室,走向市场,成为破局的关键。
  成立于2016年的大纤维产业工作组最早意识到这一点,并于2019年初开始将关注焦点转移到与大纤维相关的先进制造技术上来。该工作组成员经过多次研讨、反复论证后,将与大纤维相关的制造技术界定为7个物理层次,从微观到宏观依次为:原子—分子(链)—纤维—织物—器件—系统—超系统(系统之系统),并由此衍生出编材制造(Compilative Manufacturing)技术的崭新概念。
  为了更好地界定编材制造技术,大纤维产业工作组2019年连续召开3次跨领域专家研讨会。近日,《中国冶金报》记者就编材制造的相关进展情况采访了该工作组负责人王健,请他就一些关键问题进行了解答。
  编材制造源于大纤维,但不限于大纤维
  “这3次系列研讨会均围绕编材制造在各个制造层面上面临的挑战和进展情况进行了解读。”王健介绍,由于编材制造是基于大纤维制造对应的7个物理层次而来,涉及生物、医疗、汽车、飞机、电子、服装等各个行业,他们邀请了各相关领域的专家进行解读。
  “经过与数十位专业背景各异的专家的严肃讨论,有时甚至是争论和辩论,参会者对编材制造总体上保持了正面的理解和积极的回应,也有很多补充和完善。”王健告诉《中国冶金报》记者,研讨会上也有质疑的声音,但这种质疑正是促进编材制造这一概念立准立稳的关键因素。
  关于对编材制造内涵的理解,大纤维产业工作组的专家们于2019年8月份首次给出的定义是: 融合了现代生物、化学、物理等相关科学技术手段,以大纤维为基本对象之一的,在原子到超系统7个层次展开的创新的制造活动,包括理论、方法、工艺和设备等(相关文章见《中国冶金报》2019年8月7日03版)。然而,在多次研讨中,大纤维产业工作组的专家们发现,编材制造涉及的对象或许在非纤维方面也有覆盖。
  “根据目前我们了解到的情况,编材制造包括两个方面,一是对应大纤维的所谓编材制造技术;二是对应其他材料或系统,但本质上和编材制造理念一致或者一脉相承的其他先进制造技术。”王健进一步指出,大纤维和编材制造有很强的联系,两者的区别在于大纤维更多从材料的角度出发,编材制造则是从制造技术的角度出发。2019年初,为了探讨大纤维技术成果产业化问题,大纤维产业工作组主要是基于大纤维的角度去思考关于它的制造技术,从统计资料中识别出哪些是传统制造方式,哪些是全新的制造方式,这其中也包括不成熟的或待开发的制造方式。到了2019年下半年,大纤维产业工作组专家则更多从制造工艺创新的角度进行归纳和梳理,并提炼其中的原理和核心技术。在他们对这些原理和工艺的应用进行拓展的时候,更多非大纤维的应用场景被发现。
  那么,编材制造区别于传统制造技术的地方在哪里呢?针对这个问题,王健表示,这涉及到对“编材”这个概念的理解。与传统的纤维编织技术不同,大纤维产业工作组将编材制造看成是编码和信息的某种嵌入,也就是一种全数字可编程的精准制造技术。而这种制造覆盖了从材料的基本制备到构建系统的完整周期,还覆盖了从材料的创新研发到小规模制备和大批量制造的完整阶段。对此,王健举了一个例子:“比如,科学家在培养具有类似蜘蛛丝特性的蚕丝时,就需要对蚕进行基因调控,改变样本蚕体的基因排序,这就是编材制造在原子和分子层面的体现。”
  编材制造或将成为制造业新蓝海
  一个新事物的出现,必然伴随着不同的声音。在研讨会上,有专家提出疑问:编材制造的真正意义是什么?对科研的意义在哪里?对行业、国家发展的意义在哪里?
  针对这些问题,王健表示,从过去到现在,很多性质卓越的材料都不能顺利地导入应用,进入市场,从而“胎死腹中”,其比例高达95%以上。这也是材料及其制备工艺,以及相关装备研发成本极其高昂的一个重要原因。科研调试、样品制备、小批量试制乃至进入大批量生产等过程,均需要相应的技术、装备去优化参数、稳定特性、提升质量和控制成本。这也促使大纤维产业工作组在从非材料角度理解大纤维时,识别出了编材制造技术。“也就是说,编材制造的首要意义在于帮助像大纤维一样的下一代材料更好、更快地从实验室走向市场。”王健说。
  “而且,编材制造技术所处的领域是一块未经系统开发的‘处女地’。”王健表示,实验室做纤维材料研究制备的手段很原始、很粗糙,还存在大量依赖手工的情况。受限于缺少自动化、数字化手段,每当科学家有了一个新的概念或想法的时候,都需要花大量的时间和精力去进行实验和测试,而且成功率还很低。他指出,从这个意义上来说,编材制造可以帮助科学家更好、更快地进行研究发明。
  “就像3D打印技术是在其成熟度度过了某个关键阶段,被科技媒体多次报道,才突然被大众所熟知,并获得关注和重视,快速实现了商业化一样。现在的编材制造,市场关注度还很低。”王健介绍,目前绝大多数人还不知道分散在不同细分领域里的专业性很强的制造工艺有着内在共性,可以系统化进行分析和发展并最终建立一整套体系,再加上这些制造工艺现阶段还存在诸多问题,因此此前没有人专门进行识别、归纳和总结。“市场需求是发展的最终牵引力。不断开发新的制造手段,是为了让一些很有发展前景的材料能够迅速被使用,并比现有制造工艺更有竞争力。只有这样,才有机会实现新材料对现有材料的替代,推动社会更好、更快地发展。”王健进一步解释道。
  “通过编材制造技术制造的产品具有很高的附加值。从发展前景来看,编材制造或将成为制造业的新蓝海。”王健表示,“如果有一批企业率先进入这个领域发展,将有望成为未来市场的领头羊。所以,我们希望在绝大多数人还没有清晰认知的时候,通过编材制造的定义,让政府决策人士、材料工业业内人士,包括那些非材料领域的做工业软件、工业装备的优秀人才,能够意识到以大纤维为代表的新一代材料的制造从技术突破到大批量应用中间有很多事情可以做,值得我们进入这个领域去迎接挑战、去创新制造技术和升级工艺装备。”
  “在研讨会上,有专家表示担忧,大纤维产业工作组做的事情应该是行业协会或政府才会做的事情,一个民间工作组何堪此任!”面对这类担忧,王健谈了他的看法。大纤维产业工作组实际上起到的作用类似于战略科学家,也是民间科技智库的应有之义。战略科学家做的事情就是来源于具体科学技术,但又要超越于具体科学技术,要站在国家战略、行业发展、人类生活改善的角度,去认识科学技术和产业,从而提出高瞻远瞩的战略洞见。他表示:“很多人都能理解看得到的并已经被实现的、确定性很强的东西,而对模糊的、碎片化的、充满不确定性的未来技术缺少全局性感知,甚至表现出恐惧和排斥。大纤维产业工作组所做的工作是,从超越某类材料、某类具体制造工艺和某个具体应用行业的高度,来整合那些未被很好理解和开发的非主流制造方法,并识别出创新的制造方法。通过开辟一个全新的制造范式来引领先进制造技术的发展。”
  “我们需要一个伟大的愿景,才能心无旁骛地往前走。”王健说,“当然,我们要把未来生活场景和技术发展方向结合在一起,从而做到技术驱动和市场拉动相结合。而编材制造正是符合技术发展规律,同时可以支撑未来人类生活的技术驱动力。”
  

 

  

“材料+制造”突破是新技术产业革命的标志


图为王健。
  王健(大纤维产业工作组组长、中国科技自动化联盟秘书长)
  材料领域的重大突破和制造领域的范式改变,一直是新技术和产业革命的重大使能因素。“大纤维”和“编材制造”正是中国人在世界范围内率先发现和定义的“材料+制造”创新概念组合。
  大纤维是下一代纤维家族及其所推动的新产业集群的统称,具有智能、超能、绿色和连接的核心特征。其将从根本上颠覆和重塑许多行业的面貌,如半导体、机器人、大健康、航天航空和国防领域,是构建未来以人为本的智能社会的核心基础。
  编材制造是以大纤维为主要对象之一的,在原子到超系统等7个尺度上进行的创新制造技术的统称。其将是继减材、等材、增材制造之后全新的制造范式,从原子尺度开始精确控制材料特性,一直到基于大纤维构建智能器件和系统,以及通过结构、功能和通信连接创建超级智能系统,是制造业新蓝海。
  我国在大纤维和编材制造领域处于与世界并跑甚至局部领跑的有利位置,具备从科学研究到技术开发和产业化的完备链条,部分细分领域已经产生了领先世界的成果,有的已经走在产业化的路上。抓住大纤维和编材制造在全球范围内即将形成的战略机遇,将有助于我国满足国防战略安全和国计民生需求,有助于我国在全球新一轮科技和产业革命竞争中赢得领先地位。
  名词解释
  ●大纤维产业工作组:2014年,纺织工程、工业自动化、半导体、钢铁、科技情报等领域专家组建工作组,开始关注德国未来纺织计划。2016年4月,该工作组定名为中国科技自动化联盟纺织未来工作组,并正式成立。同年7月,该工作组更名为大纤维产业工作组。
  《中国冶金报》(2020年04月23日 05版五版)

 

来源:中国冶金报-中国钢铁新闻网

编辑:宋玉铮

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