從3D打印到能源互聯(lián)網(wǎng)，數(shù)字化和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正以其獨(dú)特的方式，撼動(dòng)傳統(tǒng)的制造和能源行業(yè)，催生以定制式數(shù)字制造和分布式能源供給為特征的嶄新時(shí)代。信息技術(shù)與新材料和新能源技術(shù)相結(jié)合正在孕育新一輪產(chǎn)業(yè)革命。
面對(duì)制造業(yè)的數(shù)字化以及能源供給的分布式發(fā)展趨勢(shì)，“中國(guó)制造”何去何從？超越“摩爾定律”的高性能計(jì)算又將帶來(lái)哪些機(jī)遇和挑戰(zhàn)？在日前于太原舉辦的“新產(chǎn)業(yè)革命論壇”上，來(lái)自國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家、學(xué)者對(duì)此展開(kāi)討論。
3D打印引發(fā)變革
“只要一臺(tái)電腦、一個(gè)創(chuàng)意設(shè)計(jì)和一臺(tái)3D打印機(jī)，每個(gè)人都能成為制造商�！庇�(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志編輯、“第三次工業(yè)革命”系列報(bào)道撰稿人保羅·麥基里(Poul Markillie)在“新產(chǎn)業(yè)革命論壇”上表示，隨著3D打印技術(shù)的推廣，制造業(yè)中的規(guī)模效應(yīng)和勞動(dòng)力低成本優(yōu)勢(shì)將不再重要，已經(jīng)成為“世界工廠(chǎng)”的中國(guó)制造業(yè)面臨挑戰(zhàn)。
所謂3D打印，就是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，通過(guò)軟件操作，對(duì)材料進(jìn)行選擇性的激光熔化，從而制造產(chǎn)品的快速成型技術(shù)。它的工作原理類(lèi)似噴墨打印機(jī)，不過(guò)它噴出的不是墨水，而是黏接劑和液態(tài)材料。由于這種制造方式不需模板，也不用組裝，產(chǎn)品形態(tài)完全通過(guò)軟件操控，生產(chǎn)一件產(chǎn)品與大批量生產(chǎn)相比，單位成本幾乎一樣，所需勞動(dòng)力數(shù)量大幅減少。
除此以外，麥基里稱(chēng)，“中國(guó)制造”還將面臨“美國(guó)再制造”的挑戰(zhàn)。一項(xiàng)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，到2020年，10%到30%原本從中國(guó)進(jìn)口的產(chǎn)品將會(huì)回歸美國(guó)本土。
“正在興起的‘自造者運(yùn)動(dòng)’，為重振美國(guó)制造業(yè)提供了路徑�！丙溁镎f(shuō)，這一運(yùn)動(dòng)強(qiáng)調(diào)的是，人人都可以通過(guò)在線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)制造商，利用3D打印機(jī)創(chuàng)造產(chǎn)品，從而鼓勵(lì)那些不愿到工廠(chǎng)上班的年輕人，在家中創(chuàng)造屬于自己的工廠(chǎng)。借助3D打印技術(shù)，勞動(dòng)力密集型的制造業(yè)正變身為高端的自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)。
“現(xiàn)在只需要2000美元就可以買(mǎi)到一臺(tái)小型的家用3D打印機(jī)�！丙溁镎f(shuō)，目前，3D打印不僅應(yīng)用于跑車(chē)、航天航空、人造衛(wèi)星、醫(yī)療器械等高端制造，手工藝品、珠寶首飾，甚至家庭用具等領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用也在增多。麥基里說(shuō)，人們甚至可以打印出一塊熱縮冷漲的金屬板。“看似違反自然規(guī)律，其實(shí)只要通過(guò)材料和結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)就可實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)制造技術(shù)顯然對(duì)此無(wú)能為力。”
面對(duì)即將到來(lái)的產(chǎn)業(yè)變革，中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長(zhǎng)王華明表示，短期來(lái)看，3D打印的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在難加工、高性能、昂貴的復(fù)雜部件上，對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)的沖擊不大。同時(shí)，3D打印還面臨版權(quán)、標(biāo)準(zhǔn)等難題有待破解。但長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，在日趨智能化的數(shù)字制造時(shí)代，如果不能占據(jù)技術(shù)高端，成為全球制造體系的組織者和規(guī)則制定者，就有被“鎖定”在低端市場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。
能源互聯(lián)已成趨勢(shì)
制造業(yè)的數(shù)字化，將直接促進(jìn)生產(chǎn)模式的分布化，進(jìn)而為可再生能源的發(fā)展帶來(lái)機(jī)遇。專(zhuān)家認(rèn)為，可再生能源的分布式生產(chǎn)、優(yōu)化存儲(chǔ)、分配及其技術(shù)創(chuàng)新將推動(dòng)能源互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展。
“比如在未來(lái)的大學(xué)校園中，能源結(jié)構(gòu)將更加多樣，有屋頂?shù)墓夥l(fā)電、地面的風(fēng)電、天然氣發(fā)電等。只要計(jì)算出校園一年四季對(duì)冷、熱、電的綜合需求，根據(jù)可再生能源的利用情況，協(xié)調(diào)儲(chǔ)能、存放電策略，就可以實(shí)現(xiàn)低碳目標(biāo)�！碧旖虼髮W(xué)教授、中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)常務(wù)理事王成山說(shuō)，通過(guò)這種技術(shù)，電網(wǎng)與用戶(hù)之間可以充分互動(dòng)。
然而，由于太陽(yáng)能、風(fēng)能等分布式的電源系統(tǒng)具有間歇性、隨機(jī)性特點(diǎn)，對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行會(huì)帶來(lái)很大困難。如果電網(wǎng)運(yùn)行出現(xiàn)故障，分布式電源必須立即退出，否則會(huì)給電網(wǎng)的維護(hù)、檢修工作帶來(lái)危險(xiǎn)。王成山說(shuō)，它的間歇性也會(huì)影響周邊用戶(hù)的正常使用。同時(shí)，大量分散的、屬于不同用戶(hù)的分布式電源難以?xún)?yōu)化管理�！白屨l(shuí)多發(fā)，不讓誰(shuí)發(fā)，怎么進(jìn)行能量的平衡和能源的綜合優(yōu)化，都對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)挑戰(zhàn)�！薄�
對(duì)此，王成山認(rèn)為，微電網(wǎng)是一個(gè)不錯(cuò)的解決方案。所謂微電網(wǎng)，實(shí)際上是把大量的分布式電源、用戶(hù)負(fù)荷以及儲(chǔ)能等綜合在一起形成的網(wǎng)絡(luò)，既可以成為電網(wǎng)的一部分，又是獨(dú)立的用電單元，能夠快速靈活地響應(yīng)用戶(hù)需求。
中科院院士褚君浩認(rèn)為，要建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)，太陽(yáng)能電池的能效需要提高至30%，這樣才能更好地收集和儲(chǔ)存能源。
高性能計(jì)算駛向何方
“信息技術(shù)將成為新產(chǎn)業(yè)革命的先導(dǎo)。”褚君浩表示，3D打印技術(shù)，離不開(kāi)對(duì)產(chǎn)品從分子設(shè)計(jì)到工藝優(yōu)化的海量計(jì)算；在微電網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，同樣需要強(qiáng)大的數(shù)據(jù)挖掘和計(jì)算能力。無(wú)論是數(shù)字制造，還是能源互聯(lián)網(wǎng)，都離不開(kāi)計(jì)算能力的提升和計(jì)算成本的降低。
“目前，CPU計(jì)算性能的增長(zhǎng)速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于摩爾定律�！庇�(guó)皇家學(xué)會(huì)院士史蒂夫·弗伯(Steve Furber)說(shuō)，高性能計(jì)算駛向何方，直接關(guān)系到新產(chǎn)業(yè)革命花落何方。弗伯透露，他領(lǐng)導(dǎo)的研究小組正在從人腦中尋求突破。他發(fā)現(xiàn)，與電腦相比，擁有10億神經(jīng)元的人腦允許低性能單元的存在，通過(guò)并聯(lián)等方式實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算。目前，他正在主持一項(xiàng)神經(jīng)系統(tǒng)工程，打算用包含100萬(wàn)個(gè)處理器的計(jì)算機(jī)SpiNNaker模擬人腦神經(jīng)元的1%。
盡管技術(shù)方向仍不明朗，但專(zhuān)家十分樂(lè)觀。英國(guó)劍橋大學(xué)丘吉爾學(xué)院院長(zhǎng)大為·華萊士(David Wallace)對(duì)中國(guó)抱有熱切期待。他表示，中國(guó)培養(yǎng)了大量熟練的研究人員，完全有潛力開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的智能通信和交互系統(tǒng)，深入挖掘高性能計(jì)算這一新技術(shù)。