中国科技自动化同盟大纤维家当事情组专家
思缕大纤维科技（上海）有限公司创始人
工业革命内在逻辑的不同视角
前几年大家谈工业 4.0 和智能制造比较多，在回顾历次工业革命时，常日从制造技能进步和管理流程变革两个角度来解读。
比较故意思的是中国工程院原院长周济总结的 HCPS（人﹣ Cyber ﹣物理系统）， 把人纳入物理天下和Cyber 天下的互动之中；这两年大家关注工业互联网，紧张从数字驱动和商业模式演化的角度来阐释，但我们始终不能忘却GE 工业互联网白皮书看问题的角度，即探索和重新定义人和机器的边界；最近热点转移到人工智能（AI）和智能机器人上来了，看问题的角度多是技能落地和社会伦理。
只管AI 和机器人各自发展了数十年，强人工智能和能够理解情绪和人类聪慧的机器人间隔我们还十分迢遥， 但人们很乐意谈论机器智能和人类智能的关系问题。
不久前看一篇国际纺织机器展览会（ITMA）会刊上关于纺织工业可持续创新方面的访谈文章，受访者提了一个“3P”的观点，即无论采取何种技能，无论过程如何演进，我们都在寻求人（People）、地球（Planet）、利润（Profit）三者之间的更高水平的平衡。
看起来，无论世道如何演化，我们都离不开对人的关注，离不开人和人造系统的关系。
关于下一次工业革命所发生的领域，已经有很多不同的预测，比如AI、能源、生物、信息和材料领域。
最近有一篇文章先容卡耐基梅隆大学的科学家们开拓出了新的非侵入脑机接口技能， 可以仅仅依赖头戴式传感器采集大脑皮层的脑电波旗子暗记，实现由人的意识掌握机器臂跟踪电脑屏幕上随机涌现的小球。据称该技能的发展将引发人机交互领域的新革命，带来康健养老等领域的技能飞跃。
这样的“黑科技”实际上是柔性可穿着智能传感技能、人工智能技能、机器人技能和信息通信技能的交叉领悟。
以是更加客不雅观的不雅观点实在是下一次工业革命是充分跨界的，是由不同领域的科技打破相互促进、相互领悟之后共同引发的，而新材料及其制造技能的重大打破是所有这些领域发展的共同使能要素。
大纤维：一场跨领域、跨学科的工业革命
2014 年底，一群紧张来自上海和北京，由纺织工程、工业自动化、半导体、钢铁、科技情报和媒体等跨界背景的专家自发组建的事情组，在智能制造和传统家当升级的大背景下， 开始关注德国未来纺织（FutureTEX）操持。
2016 年 4 月，中国科技自动化同盟纺织未来事情组正式成立，同时开始跟踪美国革命性纤维与织物制造创新中央（RFT﹣MII）的运作和研究领域。事情组专家们反复论证后意识到：
纤维，作为一种长径比超过一定数值的材料，其涵盖范围非常广泛，而基于下一代纤维的科技革命和由此推动的下一轮家当革命初现端倪，其范围已大大打破了纤维的传统运用行业——纺织行业，将在更多传统和新兴行业里面起到巨大的推动浸染。
2016 年 7 月，专家们正式在世界范围内首次提出“大纤维”这一创新观点，同时将事情组更名为大纤维家当事情组。
从此开始了创造、推动、编织大纤维家当的进程。
大纤维是基于材料、信息、机电、生物、能源等学科领域的技能打破与交叉领悟，以“智能、超能、绿色”为特色，具有多功能、多构造、多组分特性，对浩瀚家当集群起到高渗透性、颠覆性、革命性提升效果的新一代纤维。
一个以前辈纤维材料为根本，具备多组分、多构造和多功能特点，能够感知、打算、储能、通信、实行的新型智能纤维家族已经开始涌现并走向市场，海内复旦大学、浙江大学、东华大学等高校和研究机构均有类似技能和产品的研发，有的还注册了公司进行小规模制造和家当化。
这方面的例子有很多，如喷鼻香港理工大学陶肖明团队从事的基于纤维的智能可穿着技能开拓，致力于通过纤维办理发电、传感和通信问题，下一代可穿着设备将在高性能织物里面集成这些功能，从而实现从外挂到内嵌再到内生的超过。
中科院苏州纳米所李清文团队从事的基于碳纳米管的高性能纳米纤维研发，有可能为我们带来新的具备超级性能的纤维品种，从而取代被日本东丽垄断的碳纤维。
碳纳米管构造
蜘蛛丝几十年来用传统化学合成理论和方法一贯无法制造出来，现在采取生物合成理论，用蜘蛛基因调控家蚕和细菌的蛋白质分子，已经能量产高性能蜘蛛丝，这被认为是自尼龙问世以来最主要的纺织材料进步。
上海长胜集团用冷转印（cooltrans）技能精确定量以印代染，颠覆了几千年来大量利用稀释染液的印染工艺，实现基本无水耗无排放印染，而且可直接在织物上印染高精密功能线条和图案， 成为发展智能电子织物家当化的平台技能。
在柔韧性、轻量化、多功能、高性能、绿色化、智能化等方面，大纤维比较传统材料如钢材、塑料等有明显的差异化上风。
钢材的紧张特色是强度高、塑性好、韧性好、耐冲击、性能稳定、加工性好等，但也有易锈蚀、掩护用度高、耐火性差、生产能耗大等缺陷。在高性能钢材的传统上风运用领域，如汽车和飞机制造等，已经有越来越高的比例将利用基于纤维的复合股料以达到更高的柔韧性、轻量化和高能效。
2018年底曾有文章宣布了一个智能碳纤维汽车车身的实例，既轻量化又能根据风阻变形。碳纤维车身用3D 织造（完备省却了裁剪、冲压、焊接等金属加工工序）复合制成，又在织物中稠浊了具有太阳能发电功能的纤维，可取代部分电池。多功能碳纤维的采取使整车性价比大大提高。
3D织造碳纤维车身
这是很范例的大纤维部分取代传统材料的运用案例。
更进一步，智能、超能、绿色特色的进一步交叉领悟将催生许多完备崭新的纤维品种，个中相称大的比例终极将转化为巨大的商业代价，给下贱许多家当带来深刻的影响并从根本上改变这些家当的生态，从而出身一个弘大的新兴家当集群。
我们把大纤维干系技能 / 产品以及环绕下贱丰富运用所形成的新家当集群叫作大纤维家当。
大纤维具有与生俱来的跨领域、跨学科的交叉特性。其理论根本和技能路线也呈现百花齐放的勃勃活气。
如在构造优化理论辅导下，采取基于光纤的多材料、多构造产生多功能智能纤维；
在纳米理论辅导下，发展基于碳纳米管、石墨烯的高功能纤维；
在高分子设计理论辅导下，从分子构造上开拓超高性能纤维；
在合成生物学理论辅导下，通过转基因技能创造高性能生物纤维；
等等。
正如上文谈到的，历次工业革命实际上都离不开对人和人造系统关系的重新定义，离不开一个关键词：以人为本。
大家都知道，人体 70% 以上的组织由纤维构成。拥有生物相容性的绿色纤维叠加了智能和多功能要素之后，所形成的新一代智能可穿着系统或人体植入式系统，可以以最安全、最轻便、最有效的办法采集人体数据、监测人体康健、施加有效影响并帮助人提升康健和运动水平。
MIT打造人造肌肉纤维
基于所采集的数据形成的“数字人”，将成为人工智能社会里最主要、最大量的资产之一。只有到了这个阶段，社会数字化才真正实现，而大纤维将成为人体天下、实体物理天下和虚拟信息天下之间最佳的桥梁。
以是说大纤维的涌现重新定义了人机边界或者 HCPS 的边界，一点都不为过。
编材制造：从原子到超系统的多层次制造技能
美国物理学家费曼提出过一个著名问题：“如果原子能够按照我们设想的办法来排列，那么材料将会有若何的性子？”
他的问题启迪高分子科学家要走出传统高分子的范畴，将可控的分子不均一性及其干系的精确构造引入合成高分子，拓展合成高分子的基本构造，实现更为精密的功能化。
在美国工程院院士程正迪等撰写的“巨型分子：化学、物理学和生物科学的交汇”一文中提出“From structure to function”的思想，提示我们要从构造发展到关于功能性的考量。
例如，纱布过去只是用于包扎伤口，但用大纤维来开拓的智能纱布除了包扎伤口之外， 还有消炎、治疗功能，并能与远程医疗系统连接在线监测病人状况。
上述两位科学家的思想见告我们，在物理层次上，关于大纤维的谈论绝不应仅仅着眼于在纤维和织物这样的中不雅观层面上进行，还该当向微不雅观进发下探到分子和原子的基本层次，同时向宏不雅观扩展上升到器件和系统、乃至超系统（系统之系统）的层次。
因此大纤维的物理层次包括七层，它们是：原子﹣分子（链）﹣纤维﹣织物﹣器件﹣系统﹣超系统。过去我们较多从纤维的构造特点和彼此之间的联结关系出发指向详细的功能，现在则须更多从需求出发，确定功能性，再来设计纤维构造，必要时可以多组分、多构造领悟获取所须要的功能。
位于德国的欧洲最大的纺织研发中央——德国纺织和纤维研究所（DITF）——提出其研究范围覆盖从分子到产品的完全纺织产品和代价链，其技能竞争力表示在从高分子合成、纤维和纱线、织物和构造、功能化直至工业 4.0 的多个层次。
德累斯顿技能大学机器科学与工程学院下设的纺织机器与高性能材料技能研究所（ITM）更进一步将研究范围延伸到从原子到成品，其传授教化和研究的范畴分为四个层次：仿真和材料建模、产品开拓、工艺技能开拓和机器装备开拓。
在笔者和这两家单位的专家互换的过程中，他们普遍认为，其研究范围早已经超出了传统纺织的范畴，也不仅仅是技能性纺织品和非织造产品， 属于更加跨领域的高科技范畴。当他们听说大纤维这一观点时， 无一例外地表示认同。
源自德累斯顿技能大学
大纤维兼具材料技能革命与制造技能革命的双重意义。它充分利用现有的纺织和其他前辈制造技能并不断发展出新的制造技能，在前述从原子到超系统的各个层面进行制造活动。
如在原子和分子层面的基因编辑技能或生物合成技能、杂化以及各种聚合物分子合成技能；
在纤维和纱线层面，有湿式 / 干式纺技能、熔融纺技能、双组分纺技能、变形和拉伸、非织造技能、短纤维技能和精密卷绕技能等；
在织物和构造层面，有间隔技能、编织、编带、机织、针织、编织连接、组织工程、膜技能、编织挤拉、构造卷绕技能等；
在功能化和器件层面，有溶胶﹣凝胶技能、染整技能、数字印刷技能、纳米技能、涂层、 电子元件集成、传感和实行特性的开拓等；
在智能系统和超系统层面，有建模拟真、虚拟化、自动化与机器人、3D 打印（增材制造）、数字化、智能化、绿色和可持续制造技能等。
可见，大纤维对沿袭了几千年的纺织及其制造工艺无疑具有颠覆性意义，如多材料智能纤维可用纺纱手段制造，多功能织物可以用织造和印刷手段制造，高性能织物可以用复合和稠浊手段制造。
大纤维所对应的制造工艺技能体系，不仅容纳了纺织工程常见的等材制造方法，常规材料加工所用的减材制造方法，以及以 3D 打印和机器人为代表的增材制造和数字建造方法，还有许多非常规的创新的制造工艺和方法有待我们进一步研究和开拓。
可以这样说，基于大纤维的从原子到超系统的制造技能体系极大丰富了我们的制造手段，可望成为继以机床为代表的减材制造和以 3D 打印为代表的增材制造之后的又一类有着重要意义和极高代价的制造模式，大纤维家当事情组的专家们首次创新地称之为“编材制造”。
这个“编”字，既反响了传统意义上的纤维和纱线层面上的纺制和编织，更反响了在分子乃至原子层面的编辑和剪裁；既反响了在织物和器件层面上的集成和构造化，更反响了在系统和超系统层面上的多维数字化编程而授予工具自动化和智能化的属性。
结语
大纤维面向未来智能社会的发展需求，以下一代智能、超能、绿色纤维为特色，展现了从原子到产品、再到系统和超系统的广大纵深。
其运用行业不仅覆盖传统领域如技能性纺织品、能源、轻量化布局、医疗、建筑和土木工程，还对诸多计策性新兴家当具有强大的促进浸染，如物联网、半导体、汽车、航空航天、智能机器人等。
我们知道摩尔定律支撑了半导体工业最近50年的发展，而按照麻省理工学院校长拉斐尔•赖夫（Rafael Reif）的说法：
“基于纤维的半导体（与硅基半导体完备不同） 的集成度正在按照每 12 个月翻一番的新摩尔定律增长，这足以创造一个新行业！
”
与大纤维干系的以编材制造命名的新制造技能体系，不仅涵盖了常规的等材制造、减材制造和新兴的数字化增材制造技能，而且包含了大量创新的尖真个制造工艺和技能。
如采取编材制造技能制造多功能、多构造的智能纤维，进一步可基于智能纤维高效、连续、低成本地制造各种功能的智能电子信息系统、智能机器人和装备。
对编材制造工艺技能的研究和节制， 以及相应研发、制造、测试和验证装备的开拓，是大纤维终极走向家当运用的必由之路，同时也是一片新的制造业蓝海。正所谓“一代材料、一代工艺、一代装备”。
众所周知，当代工业体系有两个最基本的立足点，一个是材料，另一个是精密制造与加工。中国制造业家当链只管相比拟较完全，但在这两个立足点上还十分薄弱，长期依赖跟随策略难以办理根本问题，必须开辟新路。
而大纤维及编材制造的兴起，预示着又一场新的、由材料打破和制造打破双轮驱动的工业革命即将来临！
捉住这两个计策支点，就捉住了建立强大当代工业的牛鼻子，就有可能为我们的制造强国梦带来全局性的打破！
本文选自《天下科学》杂志2019年第8期“大家•科技前沿”栏目。
