3D打印機(jī)技術(shù)，從社會(huì)計(jì)算到社會(huì)制造：一場(chǎng)即將來臨的產(chǎn)業(yè)革命

王飛躍，“從社會(huì)計(jì)算到社會(huì)制造：一場(chǎng)即將來臨的產(chǎn)業(yè)革命”，中國科學(xué)院院刊，Vol. 27, No. 6, pp.658-669, 2012.

正如Google依靠大規(guī)模的計(jì)算機(jī)服務(wù)器陣列來滿足人們信息搜索的需求，從而改變?nèi)祟惿�活與工作方式一樣，我們可以設(shè)想未來的3D打印機(jī)組成大規(guī)模的制造陣列，實(shí)時(shí)方便地滿足人類對(duì)各種個(gè)性化產(chǎn)品的物質(zhì)需求，進(jìn)而更加深刻地改變我們生活的社會(huì)，這就是為什么3D打印將改變我們的世界，這就是為什么社會(huì)制造將帶來一場(chǎng)產(chǎn)業(yè)革命。為此，我們必須實(shí)現(xiàn)從社會(huì)計(jì)算到社會(huì)制造的轉(zhuǎn)換，將兩個(gè)密切相關(guān)的新興領(lǐng)域有機(jī)地結(jié)合起來。

從社會(huì)計(jì)算到社會(huì)制造：一場(chǎng)即將來臨的產(chǎn)業(yè)革命

From Social Computing to Social Manufacturing: TheComing Industrial Revolution and

New Frontier in Cyber-Physical-Social Space

王飛躍

摘要：通過社會(huì)計(jì)算，社會(huì)制造可以使得傳統(tǒng)的企業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)槟苤鲃?dòng)感知并且響應(yīng)用戶大規(guī)模定制需求的智能企業(yè)。社會(huì)制造的關(guān)鍵就是主動(dòng)、實(shí)時(shí)地將社會(huì)需求與社會(huì)制造能力有機(jī)地銜接起來，從而有效地實(shí)現(xiàn)需求和供應(yīng)之間的相互轉(zhuǎn)化過程。為此，必須把社會(huì)計(jì)算和社會(huì)制造這兩個(gè)密切相關(guān)的新興領(lǐng)域有機(jī)地結(jié)合起來，將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和物流網(wǎng)與3D打印機(jī)組成的社會(huì)制造網(wǎng)絡(luò)無縫連接，通過眾包等方式使社會(huì)民眾充分參與產(chǎn)品的全生命制造過程，促成個(gè)性化、實(shí)時(shí)化、經(jīng)濟(jì)化的生產(chǎn)和消費(fèi)模式，形成新的產(chǎn)業(yè)革命。

Abstract: Through social computing, socialmanufacturing can transform traditional enterprises to intelligent enterprisesthat can actively sense and respond to customers’ individualized needs inmassive scale. The key to the success of the social manufacturing is tointegrate effectively social demands and production capacity in real time. Tothis end, it is imperative to combine the two emerging fields of socialcomputing and social manufacturing, and to connect seamlessly Internet andlogistic networks with 3D printing based manufacturing networks, so thatcustomers can participate fully in the whole life cycle of production processesthrough crowdsourcing, eventually leading to an industrial revolution and newlifestyle in cyber-physical-social space.

關(guān)鍵詞：3D打印；加式制造；社會(huì)制造；社會(huì)計(jì)算；網(wǎng)群運(yùn)動(dòng)組織；平行系統(tǒng)

Keywords: 3D Printing; Additive Manufacturing; SocialManufacturing; Social Computing; Cyber Movement Organizations; Parallel Systems

一、引言

源自快速成型和快速制造,以3D打印技術(shù)為核心手段的加式制造(Additive Manufacturing)，被許多人認(rèn)為是一項(xiàng)將要改變世界的“破壞性”新技術(shù)，已引起全球性的關(guān)注。今年3月，英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志就此以“第三次工業(yè)革命”為主題，聲稱3D打印技術(shù)即將引發(fā)新一輪的“工業(yè)革命”浪潮，并認(rèn)為生產(chǎn)制造將從大型、復(fù)雜、昂貴的傳統(tǒng)工業(yè)過程中分離出來，凡是能接上電源的任何計(jì)算機(jī)都能夠成為靈巧的生產(chǎn)工廠；人類將以新的方式合作進(jìn)行生產(chǎn)制造，制造過程與管理模式將發(fā)生深刻變革，目前的制造格局必將被打破：“未來的制造業(yè)將再次回流到先進(jìn)發(fā)達(dá)國家”。

在過去的幾個(gè)月，包括《紐約時(shí)報(bào)》在內(nèi)的多家美國媒體持續(xù)就3D打印技術(shù)的新進(jìn)展及應(yīng)用進(jìn)行報(bào)道，以詳實(shí)的案例為佐證，直白地宣稱“天將變了”，“美國制造，出口中國”的新時(shí)代即將來臨！眾多由年輕創(chuàng)業(yè)者發(fā)起且具有鮮明創(chuàng)意的加式制造企業(yè)，落戶于以虛擬經(jīng)濟(jì)著稱的紐約曼哈頓城區(qū)。2008年該地引發(fā)了世界性的經(jīng)濟(jì)大滑坡，然而，這些企業(yè)仍保持快速發(fā)展，拉動(dòng)了蕭條的經(jīng)濟(jì)。據(jù)美國商務(wù)部國際貿(mào)易管理局最近發(fā)布的報(bào)告，紐約城區(qū)去年的出口額居全美之冠，從2010年的850億美元上升到2011年的1050億美元，創(chuàng)歷史新高。

目前，我國在高精小型3D打印機(jī)的生產(chǎn)方面幾乎是一片空白，僅有幾家海外產(chǎn)品的代理。如何應(yīng)對(duì)這一局面，是我國制造業(yè)乃至整個(gè)國家層面所必須認(rèn)真考慮的重大問題。近期有關(guān)部門已經(jīng)加大了對(duì)一些特定領(lǐng)域的快速成型與制造技術(shù)的支持力度；對(duì)于3D打印與加式制造，許多部門和企業(yè)亦表現(xiàn)出了極大興趣。

我們認(rèn)為：快速成型和3D打印機(jī)是加式制造行業(yè)的重要組成部分，正如計(jì)算機(jī)之于信息行業(yè)。以信息行業(yè)的發(fā)展歷程來講，快速成型相當(dāng)于上世紀(jì)60年代的專用和大型計(jì)算機(jī)，而3D打印機(jī)則是上世紀(jì)70年代的個(gè)人PC和蘋果臺(tái)型計(jì)算機(jī)。令人擔(dān)心的是，我們?cè)诩邮街圃爝@一領(lǐng)域目前所處的地位，差不多就是半個(gè)世紀(jì)前我們?cè)谑澜缧畔⑿袠I(yè)所處的地位！

顯然，我們必須盡快補(bǔ)上快速成型和3D打印機(jī)這一課，但我們切不可忘記信息行業(yè)在個(gè)人計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之后浪潮般的發(fā)展進(jìn)程：Microsoft的快速崛起，還有隨之而來的Oracle，Yahoo，Amazon，eBay，Google，F(xiàn)acebook，Twitter，國內(nèi)的百度、阿里巴巴、QQ和微博等等。以目前加式制造的發(fā)展情況判斷，3D打印機(jī)之后，必將是社會(huì)制造的迅猛發(fā)展。社會(huì)制造對(duì)加式制造行業(yè)而言，就是信息行業(yè)從Microsoft至Amazon再到Google和Twitter的一體化合成，可視為虛擬網(wǎng)絡(luò)世界與真實(shí)物理世界的首次完美結(jié)合。因此，在關(guān)于快速成型和3D打印機(jī)之大量媒體渲染的背后，社會(huì)制造才應(yīng)當(dāng)是我們關(guān)注的要點(diǎn)，否則，我們可能將錯(cuò)失良機(jī)，一誤再誤，代價(jià)難以估量。

在社會(huì)制造的環(huán)境中，消費(fèi)者與企業(yè)通過網(wǎng)絡(luò)世界能夠隨時(shí)隨地參加到生產(chǎn)流程之中，社會(huì)需求與社會(huì)生產(chǎn)能力將實(shí)時(shí)有效地結(jié)合在一起，“想法到產(chǎn)品（Mind to Product）”，“需求就是搜索，搜索就是制造，制造就是消費(fèi)”將成為現(xiàn)實(shí)。因此，社會(huì)制造必將極大地刺激社會(huì)需求，同時(shí)有效地提升整個(gè)社會(huì)的參與程度，其直接結(jié)果就是社會(huì)就業(yè)率的大幅度提高。一言蔽之，社會(huì)制造對(duì)于提高我國制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力、加速產(chǎn)業(yè)升級(jí)和轉(zhuǎn)型、擴(kuò)大社會(huì)內(nèi)需、繁榮國家經(jīng)濟(jì)，具有至關(guān)重要的戰(zhàn)略意義。

加速發(fā)展社會(huì)制造產(chǎn)業(yè)，不但能夠解除我國長期在模具和材料工業(yè)落后受制于人的不利局面，還可以使我國蓬勃發(fā)展的社會(huì)媒體和網(wǎng)絡(luò)文化得到進(jìn)一步的升華，使其成為促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)科學(xué)發(fā)展的有力工具：從被動(dòng)到主動(dòng)，從消極到積極。在這一方面，社會(huì)計(jì)算研究將發(fā)揮關(guān)鍵性的作用，從專注社會(huì)輿情分析到滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求，為社會(huì)制造的發(fā)展與成功提供有力保障。

二、從減式制造到加式制造：歷史與現(xiàn)狀

加式制造是相對(duì)于減式制造而言的，二者過去都不是嚴(yán)格意義下的制造專業(yè)術(shù)語。所謂減式制造，即通過模具、車銑等機(jī)械加工技術(shù)與工具將原材料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品的工藝過程與設(shè)備的總稱，其特征為利用縮削、減少材料來生產(chǎn)部件。自古以來，減式制造就是人類生產(chǎn)的主要方式，更是現(xiàn)代制造工業(yè)的基礎(chǔ)。

近十年來，隨著快速成型、快速制造、3D打印等技術(shù)的成熟與普及，加式制造已成為日益風(fēng)行的制造專業(yè)術(shù)語。在很多文獻(xiàn)中，將加式制造等同于3D打印技術(shù)；但實(shí)際上3D打印只是實(shí)現(xiàn)加式制造的一種方式，盡管目前看來是一種主要的方式。加式制造的主要特征就是利用逐層增加材料的方式生產(chǎn)各種產(chǎn)品，無須模具，因此也被稱為無形制造技術(shù)（Freeform Fabrication，簡稱FF或FFF）。

2009年，美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)成立了加式制造標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（ASTM F-42），開始制定標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語并研發(fā)相應(yīng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在該委員會(huì)頒布的第一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)（F2792-10）中，加式制造被簡潔地定義為：

“基于3-D模型數(shù)據(jù)，通常采用與減式制造技術(shù)相反的逐層疊加的方式，結(jié)合材料來生產(chǎn)物品的過程（The process of joining materials tomake objects from 3-D model data, usually layer upon layer, as opposed tosubtractive manufacturing technologies）。”

圖1：加式制造的早期技術(shù)年史

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從社會(huì)計(jì)算到社會(huì)制造:一場(chǎng)即將來臨的產(chǎn)業(yè)革命.PDF

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實(shí)際上，加式制造的思想也是自古有之。從遠(yuǎn)古時(shí)期至今，房舍樓宇的構(gòu)建技術(shù)始終體現(xiàn)了加式制造的思想。工業(yè)時(shí)代早期，就有許多加式制造的技術(shù)和專利出現(xiàn)。根據(jù)美國學(xué)者所查出的世界上相關(guān)加式制造專利和技術(shù)，圖1展示了加式制造的早期發(fā)展歷史。由此圖可以看出，現(xiàn)代的加式制造有兩個(gè)源頭：照相雕塑（Photosculpture）技術(shù)和地貌成形（Topography）技術(shù)，分別始于1860年法國人Willeme的多照相機(jī)實(shí)體雕塑專利和1890年美國人Blanther的分層應(yīng)急地貌圖專利（見圖2）。我們認(rèn)為，照相雕塑更接近從3-D模型數(shù)據(jù)產(chǎn)生物體的過程，因此更能體現(xiàn)加式制造的思想。特別是1951年Munz的專利，十分清楚地展示了現(xiàn)代立體印刷（Stereolithography）的特征（見圖2 c）。

圖2

3d打印加式制造的源起專利

(a) Willeme專利，

(b) Blanther專利，

(c) Munz專利

現(xiàn)代加式制造技術(shù)直接起步于1968年Swainson的專利、1972年Ciraud的專利和1979年Housholder的專利（見圖3），分別開創(chuàng)了激光三維聚合成形、直接粉末沉積和粉末激光燒結(jié)等加式制造技術(shù)。一般認(rèn)為，1972年德國人Ciraud提出的利用激光能量光束進(jìn)行粉末沉積，實(shí)現(xiàn)分層疊加成形的技術(shù)，是世界上第一個(gè)成功的現(xiàn)代加式制造過程。從上世紀(jì)八十年代起，各種各樣的加式制造技術(shù)大量出現(xiàn)，并在許多領(lǐng)域里進(jìn)行了創(chuàng)造性的應(yīng)用，形成今天的加式制造，特別是3D打印技術(shù)的新局面。

圖 3：現(xiàn)代加式制造的起步：(a)  Swainson的光化學(xué)SFF系統(tǒng)，(b) Ciraud的粉末沉積SFF過程，(c) Housholder的粉末燒結(jié)SFF過程及初始產(chǎn)品

根據(jù)2009年美國的Wohler報(bào)告，2008年全球加式制造市場(chǎng)規(guī)模約為12億美元。至2011年，這一市場(chǎng)規(guī)模超過25億美元，其中設(shè)備和材料的直接銷售為5億美元，在賣出的加式制造機(jī)器中，90%為生產(chǎn)基于聚合物的部件和模型的3D打印機(jī)。

文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)都表明，加式制造已從早期快速成型發(fā)展成為具有廣泛應(yīng)用前景的新型制造技術(shù)，而且被許多專家認(rèn)為是一種革命性的制造技術(shù)。目前，加式制造已在武器裝備、空間系統(tǒng)、飛機(jī)部件、醫(yī)用器件、電子電路以及家用電器及裝飾，甚至服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域發(fā)揮了十分顯著的作用，成為高附加值產(chǎn)品的核心制造技術(shù)。因此，加式制造對(duì)于時(shí)下的產(chǎn)業(yè)升級(jí)和世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，至關(guān)重要！

三、3D打印技術(shù)的應(yīng)用、挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)

圖4：3D打印與加式制造


毫無疑問，目前3D打印是加式制造的主體和研發(fā)應(yīng)用的前沿，這也是為什么多數(shù)專業(yè)與非專業(yè)的討論中都把3D打印與加式制造技術(shù)等同的原因所在。然而，無論是從邏輯角度還是從手段而言，都應(yīng)把3D打印看成是實(shí)現(xiàn)加式制造的一種途徑，特別是加式制造本身與納米制造和未來的原子制造有著更深刻的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，因此也有更長的發(fā)展階段和更大的發(fā)展空間（見圖4）。不過，在未來的10年甚至20年里，我們幾乎可以把3D打印與加式制造等而視之。

表一給出美國科技政策研究所就3D打印技術(shù)按過程、主要廠商、所用材料和典型市場(chǎng)進(jìn)行的初步調(diào)查結(jié)果。一般而言，對(duì)3D打印過程和設(shè)備的分類主要是根據(jù)下列特性：

      所使用的材料

      制造部件的速度（沉積或疊加的速度）

      生產(chǎn)部件的精度和表面質(zhì)量

      生產(chǎn)部件的材料特性

      機(jī)器和材料的成本

      與操作復(fù)雜性相關(guān)的安全性和可適性

      其它性能如多顏色、易回收等

表一：3D打印技術(shù)類型與屬性


目前，3D打印主要應(yīng)用于小批量生產(chǎn)，以及小尺寸、高價(jià)值、高復(fù)雜度和高難度部件等的制造，從而消除制造過程對(duì)部件模具和機(jī)器工具的需求，實(shí)現(xiàn)降低成本、縮短工期的目的。3D打印的市場(chǎng)可粗分為原型制造、工具制造、直接部件制造和部件維修等。


目前，3D打印仍面臨著許多技術(shù)上的挑戰(zhàn)，美國2011年的Wohlers報(bào)告和IDA綜述將主要問題歸納為下面七個(gè)方面：


1）材料的刻畫

2）材料的研制

3）過程控制問題

4）過程的建模與分析

5）機(jī)器的驗(yàn)證與標(biāo)準(zhǔn)

6）機(jī)器的模塊化構(gòu)造與組合

7）設(shè)計(jì)工具與軟件


除了對(duì)這些技術(shù)上的挑戰(zhàn)研究之外，目前歐美日等國家還興起了許多綜合性的研發(fā)課題與方向。例如：


      能源和電子器件

      奇特結(jié)構(gòu)

      輕質(zhì)結(jié)構(gòu)與部件

      三維掃面成像

      生物醫(yī)學(xué)打印技術(shù)

      環(huán)境影響與沖擊


盡管美國在3D打印的整體技術(shù)上領(lǐng)先全球，但在基礎(chǔ)研究設(shè)施、研發(fā)組織和政府支持上，歐盟明顯領(lǐng)先。首先，歐盟在政府研發(fā)方面的投入要大于美國（不計(jì)不公開的國防軍事投入），著名的大型合作項(xiàng)目包括英國的加式制造創(chuàng)新中心、歐盟第六框架項(xiàng)目大航空航天組件快速生產(chǎn)Rapolac（RapidProduction of Large Aerospace Components），全程專注航空航天的SMD（Shaped Metal Deposition）技術(shù)，等等。其次，歐洲工業(yè)界也主動(dòng)組織形成3D打印產(chǎn)業(yè)群，共同開發(fā)加式制造的市場(chǎng)。一度形成原始創(chuàng)新技術(shù)源于美國，但其后的研發(fā)和應(yīng)用及商業(yè)化卻是由歐盟等國家完成的局面。


近幾年來，美國明顯加大加快了對(duì)3D打印技術(shù)研發(fā)的組織力度，但仍然是以企業(yè)和大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)等半政府半民間的組織為主導(dǎo)力量。2009年，以美國相關(guān)大學(xué)為主的“加式制造路線（RAM）研討會(huì)”就未來5到10年的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了廣泛的討論，并發(fā)表了較有影響的路線圖研討報(bào)告。根據(jù)這一報(bào)告的建議，由愛迪生焊接研究所（EWI）牽頭于2010年成立“加式制造共同體AMC（Additive ManufacturingConsortium）”，試圖將相關(guān)的制造商與供應(yīng)商同大學(xué)與研究機(jī)構(gòu)聯(lián)結(jié)成為一個(gè)互動(dòng)良性發(fā)展促進(jìn)的生態(tài)組織，共同解決3D打印技術(shù)中還存在著的大量問題。AMC目前已有30余家企業(yè)、研究所、大學(xué)、軍方和政府等機(jī)構(gòu)成員，以金屬材料的加式制造技術(shù)為主，每季度活動(dòng)一次。目前，AMC整合EWI及其成員的設(shè)備、技術(shù)和專業(yè)知識(shí)，初步構(gòu)成了一個(gè)分布式、網(wǎng)絡(luò)化的加式制造“國家實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中心NTBC（National Test BedCenter）”。AMC和NTBC的使命就是提高3D打印加式制造技術(shù)的成熟度，促進(jìn)相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)投資，在全美范圍內(nèi)將這一新興的制造方式早日轉(zhuǎn)化為主流的制造方式。自2011年起，AMC每年都向其會(huì)員發(fā)布加式制造的現(xiàn)狀報(bào)告。此外，近三年來美國政府、軍方及企業(yè)還多次組織了3D打印技術(shù)的有獎(jiǎng)挑戰(zhàn)大賽，希望以此加速相關(guān)技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用和普及。

四、從社會(huì)計(jì)算到社會(huì)制造：產(chǎn)業(yè)革命的基礎(chǔ)與動(dòng)力


2012年9月19日，著名科技雜志《Wired》的主編Anderson以危言聳聽般的標(biāo)題“The New MakerBot Replicator Might Just Change Your World（新的MakerBot Replicator或?qū)⒏淖兡愕氖澜纾�”描述了新�?D打印機(jī)的進(jìn)展情況。根據(jù)該報(bào)道，MakerBot公司新推出的低端3D打印機(jī)Replicator 2的價(jià)格僅為2199美元，高端的 Replicator 2X也只有2799美元；并且，幾年后價(jià)格可能會(huì)降到99美元；屆時(shí)，每個(gè)人都將擁有3D打印機(jī)，比計(jì)算機(jī)還要普及。在2011年美國加式制造現(xiàn)狀的許多報(bào)告中，3D打印的個(gè)人使用和世界范圍的應(yīng)用已被列為最新的發(fā)展趨勢(shì)。


這意味著什么？為什么說這將改變我們的世界？


這意味著“長尾效應(yīng)”常態(tài)化將在生活和產(chǎn)業(yè)中成為現(xiàn)實(shí)，意味著個(gè)性化的規(guī)�；�和經(jīng)濟(jì)化，意味著社會(huì)制造時(shí)代的來臨：在這個(gè)時(shí)代里，社會(huì)需求將同社會(huì)制造能力實(shí)時(shí)無縫地銜接，搜索就是制造，搜索就是生產(chǎn)，搜索就是消費(fèi)。原因十分簡單，減式制造依靠規(guī)模生產(chǎn)降低成本，但絕大多數(shù)的需求并不需要規(guī)模生產(chǎn)，屬長尾范圍，過去只能由手工制作或歸為奢侈品來滿足，而現(xiàn)在可以通過3D打印技術(shù)高質(zhì)量且經(jīng)濟(jì)地解決。3D打印成本的下降和應(yīng)用的普及，意味著加式制造的Microsoft、Oracle、Yahoo、Amazon、Google、QQ、阿里巴巴、Facebook、Twitter和微博時(shí)代的同時(shí)到來。正如Google依靠大規(guī)模的計(jì)算機(jī)服務(wù)器陣列來滿足人們信息搜索的需求，從而改變?nèi)祟惿�活與工作方式一樣，我們可以設(shè)想未來的3D打印機(jī)組成大規(guī)模的制造陣列，實(shí)時(shí)方便地滿足人類對(duì)各種個(gè)性化產(chǎn)品的物質(zhì)需求，進(jìn)而更加深刻地改變我們生活的社會(huì)，這就是為什么3D打印將改變我們的世界，這就是為什么社會(huì)制造將帶來一場(chǎng)產(chǎn)業(yè)革命。


至今，人們尚未對(duì)社會(huì)制造的確切含義進(jìn)行深入的探討，我們不妨從國外二個(gè)典型的社會(huì)制造公司入手，考察其內(nèi)容和意義。


Shapeways：該公司于2007年創(chuàng)立于荷蘭，后將總部移至美國紐約市，至今已獲數(shù)千萬美元的風(fēng)險(xiǎn)投資。2012年10月，該公司在紐約皇后區(qū)的“未來工廠”投入運(yùn)營�！拔磥砉�廠”里的機(jī)器，就是50臺(tái)工業(yè)3D打印機(jī)，通過Facebook和Twitter等社會(huì)媒體，接受客戶的各種產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)方案，并在數(shù)天內(nèi)完成產(chǎn)品的打印生產(chǎn)，然后寄送給客戶。同時(shí)，該公司還為商家和設(shè)計(jì)者設(shè)立平臺(tái)，使他們可以利用公司的3D打印機(jī)生產(chǎn)并銷售自己設(shè)計(jì)或收集的產(chǎn)品，目前該公司已有近15萬個(gè)平臺(tái)會(huì)員，6000余設(shè)計(jì)者，至2012年6月20日，已經(jīng)打印了100多萬個(gè)3D產(chǎn)品。


Quirky：該公司于2009年成立于美國紐約，至今已獲近億美元的風(fēng)險(xiǎn)基金，創(chuàng)始人Ben Kaufman今年僅25歲。Quirky的特色是眾包：公司通過Facebook和Twitter等社會(huì)媒體接收公眾提交的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路，并由公司的注冊(cè)用戶進(jìn)行評(píng)論和投票表決，如此每周挑選出一個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行3D打印生產(chǎn)，參加產(chǎn)品設(shè)計(jì)和修正過程的眾包人員可分享30%的營業(yè)額。公司還進(jìn)一步將眾包設(shè)計(jì)改進(jìn)的過程同時(shí)轉(zhuǎn)化為通過社會(huì)媒體來推薦相應(yīng)產(chǎn)品的過程，創(chuàng)造性地拓展了銷售市場(chǎng)。目前，該公司每年僅生產(chǎn)60種產(chǎn)品，產(chǎn)品的提交費(fèi)由最初的99美元降至現(xiàn)在的約10美元，公司的注冊(cè)用戶每月以20%的速度增長，已達(dá)6.5萬人，而網(wǎng)上社區(qū)注冊(cè)用戶達(dá)26萬。公司有望今年獲利100萬美元，已向發(fā)明者支付了200多萬美元的授權(quán)費(fèi)。Quirky的一個(gè)成功例子是一位中學(xué)生所設(shè)計(jì)的“Pivot Power”插線板，今年已獲50萬美元的凈收入，該中學(xué)生的收入超過5萬美元。


可見，社會(huì)制造最大的特色就是消費(fèi)者可以將需求直接轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，即“從想法到產(chǎn)品”，并使得任何人都能通過社會(huì)媒體和眾包等形式參與其設(shè)計(jì)、改進(jìn)、宣傳、推廣、營銷等過程，并可以分享其產(chǎn)品的利潤。簡言之，社會(huì)制造就是利用3D打印、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和社會(huì)媒體，通過眾包等方式讓社會(huì)民眾充分參與產(chǎn)品的全生命制造過程，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、實(shí)時(shí)化、經(jīng)濟(jì)化的生產(chǎn)和消費(fèi)模式。


在社會(huì)制造的環(huán)境下，大批3D打印機(jī)形成制造網(wǎng)絡(luò)，并與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和物流網(wǎng)無縫連接，形成復(fù)雜的社會(huì)制造網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)地滿足人們的各種需求（見圖5）。

搜索是社會(huì)制造的核心，其實(shí)質(zhì)內(nèi)容就是社會(huì)計(jì)算，傳統(tǒng)的企業(yè)將轉(zhuǎn)變?yōu)槟苤鲃?dòng)感知并且響應(yīng)用戶大規(guī)模個(gè)性化需求的智能企業(yè)，否則無法生存。


社會(huì)制造的關(guān)鍵問題就是如何主動(dòng)、及時(shí)地將社會(huì)需求與社會(huì)制造能力有機(jī)地銜接起來，從而有效地完成從需求到供應(yīng)之間的相互轉(zhuǎn)化過程。為此，我們必須實(shí)現(xiàn)從社會(huì)計(jì)算到社會(huì)制造的轉(zhuǎn)換，將兩個(gè)密切相關(guān)的新興領(lǐng)域有機(jī)地結(jié)合起來。網(wǎng)絡(luò)空間和社會(huì)媒體的環(huán)境，不但是催生這兩個(gè)領(lǐng)域的基本條件，更為完成相應(yīng)的整合任務(wù)提供了有利的保障。


首先，社會(huì)計(jì)算為社會(huì)制造提供了主動(dòng)及時(shí)地掌握社會(huì)需求的必要手段，從而能夠在大數(shù)據(jù)的時(shí)代環(huán)境下直接用數(shù)據(jù)考察研究各類問題。其次，社會(huì)制造涉及人的行為與需求，對(duì)許多問題由于時(shí)間、經(jīng)濟(jì)、法律和道德上的原因無法進(jìn)行傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，而社會(huì)計(jì)算能夠以計(jì)算實(shí)驗(yàn)的方式彌補(bǔ)這一缺陷。最后，社會(huì)計(jì)算的平行管理與控制為落實(shí)社會(huì)制造的運(yùn)營和支持各種決策提供了一個(gè)有效的操作平臺(tái)。


特別是，作為目前社會(huì)制造的核心手段之眾包，也正是社會(huì)計(jì)算目前的核心研究內(nèi)容。眾包源于中國的“人肉搜索”現(xiàn)象，可以被認(rèn)為是工程化的“人肉搜索”，而“人肉搜索”是社會(huì)化的眾包，兩者是同一概念從不同角度的認(rèn)識(shí)而已。一般而言，社會(huì)民眾可以通過“人肉搜索”的獨(dú)立方式尋求滿足自己需要的社會(huì)制造企業(yè)，而企業(yè)可以通過眾包的方式有效地完成產(chǎn)品的提出、設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和營銷等任務(wù)

圖7給出通過“人肉搜索”或眾包的方式完成從社會(huì)需求到社會(huì)制造的過程。

圖6：網(wǎng)群運(yùn)動(dòng)組織CMO、社會(huì)需求、社會(huì)制造

圖7：基于CMO的社會(huì)需求與社會(huì)制造能力轉(zhuǎn)換

在此基礎(chǔ)上，我們還進(jìn)一步提出網(wǎng)群運(yùn)動(dòng)組織CMOs（Cyber Movement Organizations）的概念（見圖6 b）來刻畫動(dòng)態(tài)網(wǎng)民群體，從而能夠精確地滿足社會(huì)制造的各種需要。CMO的概念源自社會(huì)學(xué)的社會(huì)運(yùn)動(dòng)組織（SMO）和網(wǎng)絡(luò)促生的SMO(即CeSMO)，對(duì)于社會(huì)制造而言，可以直接將CMO解釋成客戶運(yùn)動(dòng)組織（Customer Movement Organization）。掌控相關(guān)CMO，將是實(shí)現(xiàn)從社會(huì)需求到社會(huì)制造之間有效轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵所在（見圖6 c）。將來，一個(gè)社會(huì)制造企業(yè)能否成功，一定取決于其掌控CMO的手段和能力。

總之，社會(huì)計(jì)算是社會(huì)制造在3D打印技術(shù)之后，整合Microsoft、Oracle、Yahoo、Amazon、eBay、Google、百度、阿里巴巴、Facebook、Twitter、QQ、微博等理念與實(shí)踐的關(guān)鍵，是社會(huì)制造成為未來智能生產(chǎn)企業(yè)之基礎(chǔ)的必由之路。只有在社會(huì)制造過程中，真正地嵌入社會(huì)計(jì)算方法，加式制造才能真正完成一場(chǎng)偉大的產(chǎn)業(yè)革命。

五、社會(huì)制造的平行運(yùn)營與管理

盡管社會(huì)制造企業(yè)僅有短短幾年的歷史，但正如Anderson所指出的，相對(duì)傳統(tǒng)的制造方式，這類企業(yè)的生產(chǎn)過程具有下面三個(gè)鮮明的品質(zhì)：

Ÿ  免費(fèi)的多變性（Variety is Free）：把每個(gè)產(chǎn)品做的不同與把它們做成同樣之間無成本的差異（It costs no more to make every productdifferent than to make them all the same.）

Ÿ  免費(fèi)的復(fù)雜性（Complexity is Free）：可以像打印一個(gè)簡單塑料方塊一樣便宜且方便地打印一個(gè)具有精巧小組件和繁瑣細(xì)節(jié)的產(chǎn)品。（A minutely detailed product, with many fiddlylittle components, can be 3-D printed as cheaply as a plain block of plastic.）

Ÿ  免費(fèi)的柔韌性（Flexibility is Free）：在生產(chǎn)過程開始后，改變一個(gè)產(chǎn)品只是意味著程序的簡單改變。（Changing a product after production hasstarted means just changing the instruction code.）

必須指出的是，這三個(gè)對(duì)于加式制造為免費(fèi)的品質(zhì)，要在傳統(tǒng)制造中獲得，每一個(gè)都要付出很大的代價(jià)。

然而，這些品質(zhì)也將不可避免地使真正的社會(huì)制造過程變得極其動(dòng)態(tài)、多樣、復(fù)雜并且不確定。因此，我們需要新的理念、系統(tǒng)和方法來管理和運(yùn)作社會(huì)制造企業(yè)，這就是提出社會(huì)制造平行運(yùn)營和管理的原因。

基于針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的ACP（人工系統(tǒng) + 計(jì)算實(shí)驗(yàn) + 平行執(zhí)行）理論，圖8給出社會(huì)制造的平行控制與管理系統(tǒng)的研究框架。這一框架以社會(huì)制造企業(yè)和承載網(wǎng)群運(yùn)動(dòng)組織CMO的互聯(lián)網(wǎng)為對(duì)象，以現(xiàn)代物流網(wǎng)絡(luò)為支撐，以3D打印加式制造設(shè)備為依托，形成一類支持集設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造、推介、消費(fèi)為一體的新型智能制造產(chǎn)業(yè)模式。這對(duì)于我國生產(chǎn)企業(yè)降低成本、提高利潤，進(jìn)而提高我國制造業(yè)中的整體競(jìng)爭(zhēng)力、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)具有重要意義。

圖8：社會(huì)制造的平行控制與管理系統(tǒng)研究框架

社會(huì)制造的平行控制與管理系統(tǒng)主要由三部分組成，簡介如下。

社會(huì)制造的人工社會(huì)

圖9給出社會(huì)制造的人工系統(tǒng)架構(gòu)，主要包括：社會(huì)制造中網(wǎng)群運(yùn)動(dòng)組織CMO的人工社會(huì)構(gòu)建；社會(huì)制造的人工系統(tǒng)構(gòu)建；社會(huì)制造參與各方的交互模型。這里的主要任務(wù)是建立需求熱點(diǎn)和相關(guān)CMO網(wǎng)上網(wǎng)下行為的演化模型，并研究其復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性與社會(huì)媒體信息傳播機(jī)制間的關(guān)系，從而為社會(huì)制造的控制與管理提供決策依據(jù)。

圖9：社會(huì)制造的人工系統(tǒng)架構(gòu)

社會(huì)制造的計(jì)算實(shí)驗(yàn)

圖10描述社會(huì)制造中的計(jì)算實(shí)驗(yàn)過程，主要包括：生產(chǎn)任務(wù)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)，生產(chǎn)全過程的優(yōu)化跟蹤、分析評(píng)價(jià)、動(dòng)態(tài)演化，CMO的演化分析與評(píng)估，CMO對(duì)突發(fā)事件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)模擬及預(yù)處理模擬；CMO的管理機(jī)制與策略的分析與評(píng)估，探索網(wǎng)絡(luò)社會(huì)中熱點(diǎn)形成機(jī)理及發(fā)展規(guī)律，3D打印制造分布協(xié)作機(jī)制評(píng)估與性能分析；3D打印制造分布協(xié)作機(jī)制對(duì)突發(fā)事故的動(dòng)態(tài)相應(yīng)模擬及預(yù)處理機(jī)制模擬，3D打印制造負(fù)載均衡與批量優(yōu)化方法，物流過程優(yōu)化與跟蹤方法，等等。

圖10：社會(huì)制造的計(jì)算實(shí)驗(yàn)

社會(huì)制造的平行執(zhí)行

圖11描述社會(huì)制造中的平行執(zhí)行過程，主要內(nèi)容包括：社會(huì)制造人工系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的虛實(shí)互動(dòng)機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)社會(huì)與真實(shí)社會(huì)的互動(dòng)調(diào)節(jié)與反饋機(jī)制，CMO人工系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)之間的互動(dòng)調(diào)節(jié)與反饋機(jī)制，分布式協(xié)作的3D打印人工系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的互動(dòng)調(diào)節(jié)與反饋機(jī)制等等。主要任務(wù)包括：研究CMO與真實(shí)社會(huì)交易行為的相互影響與反饋機(jī)理；社會(huì)制造中虛實(shí)系統(tǒng)的互動(dòng)演化和反饋調(diào)節(jié)，為真實(shí)社會(huì)中基于CMO的社會(huì)制造決策提供支持。

圖11：社會(huì)制造中的平行執(zhí)行過程

社會(huì)制造的支撐技術(shù)：云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)

由于存在于社會(huì)媒體上的CMO涉及大數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)性、多樣性、虛實(shí)交互性、復(fù)雜性和不確定性等特點(diǎn)，如何從大數(shù)據(jù)中獲得有用的信息，并從中挖掘出CMO的一般規(guī)律是一個(gè)極其具有挑戰(zhàn)性的問題。我們必須以物聯(lián)云計(jì)算的手段，采用機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、模式識(shí)別、人工智能等領(lǐng)域的理論、技術(shù)、方法, 研發(fā)可計(jì)算的智能社會(huì)媒體數(shù)據(jù)信息處理的機(jī)制， 進(jìn)而支撐處理CMO的計(jì)算模型。主要研究內(nèi)容如圖12所示。

圖12: 社會(huì)制造的大數(shù)據(jù)處理

社會(huì)制造的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

最后，圖13和圖14分別給出面向服務(wù)的社會(huì)制造平行系統(tǒng)之體系結(jié)構(gòu)和運(yùn)營框架，描述了各個(gè)層次結(jié)構(gòu)及其功能。

圖13: 社會(huì)制造的平行控制與管理體系結(jié)構(gòu)

圖14: 社會(huì)制造系統(tǒng)的運(yùn)營架構(gòu)

六、回顧與展望

2007年，在參加編寫《中國至2050年先進(jìn)制造科技發(fā)展路線圖》的過程中，加式制造引起了我們的注意，但當(dāng)時(shí)由于專家意見不一致，特別是人力、物力和時(shí)間的缺乏，只能將加式制造作為實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)跟蹤課題予以關(guān)注。2010年，我們向有關(guān)部門提出將社會(huì)制造作為重點(diǎn)方向立項(xiàng)的建議，但最終的決策是首先加強(qiáng)快速成型系統(tǒng)的研發(fā)與完善。2011年，中國科學(xué)院復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲國家批準(zhǔn)成立，我們即決定將社會(huì)計(jì)算與社會(huì)制造有機(jī)地結(jié)合，作為國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室新的研究方向，以此重新組織我們?cè)诳刂坪妥詣?dòng)化領(lǐng)域的力量，重塑我們?cè)谶@一領(lǐng)域的傳統(tǒng)影響。之后，實(shí)驗(yàn)室成立了以年輕科研人員為主的社會(huì)制造攻堅(jiān)團(tuán)隊(duì)，配合相關(guān)企業(yè)，研發(fā)從社會(huì)計(jì)算到社會(huì)制造的核心方法和系統(tǒng)平臺(tái)。

然而，3D打印技術(shù)和社會(huì)制造的發(fā)展速度卻大大超過我們的預(yù)期。以目前的國際發(fā)展態(tài)勢(shì)，我們必須立即大力度大規(guī)模地啟動(dòng)社會(huì)制造的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，否則就難以保持我國目前在制造業(yè)的優(yōu)勢(shì)和地位，無法維持我國的競(jìng)爭(zhēng)力，更難以實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)升級(jí)和轉(zhuǎn)型。

很明顯，社會(huì)制造是計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)引發(fā)的信息革命之后的又一場(chǎng)產(chǎn)業(yè)革命，而且是一場(chǎng)虛實(shí)結(jié)合的革命，其規(guī)模和速度都將是前所未有的，意義重大，并更具挑戰(zhàn)性。這場(chǎng)革命對(duì)從業(yè)人員的素質(zhì)與專業(yè)水平以及運(yùn)營環(huán)境的要求都與我們現(xiàn)行的教育科研和產(chǎn)業(yè)管理體制有明顯的沖突。如不認(rèn)真應(yīng)對(duì)，輕則可能發(fā)生西方國家所期望的制造業(yè)從中國等發(fā)展中國家向發(fā)達(dá)國家回流的現(xiàn)象，重則嚴(yán)重影響中華民族復(fù)興的偉業(yè)。

致謝

本項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金委“平行管理”重點(diǎn)項(xiàng)目（71232006），以及復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室社會(huì)制造團(tuán)隊(duì)和中國人民解放軍總裝備部有關(guān)人員的大力支持，在此深表感謝。

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[30] 王飛躍等, 社會(huì)制造發(fā)展路線圖, 2012年.

這論文好像挺有意思的

@王飛躍，兄弟寫的東西雖然術(shù)語多了些，有些用語不夠平民，但看的出來你對(duì)3D打印真是有深入的研究，眼光長遠(yuǎn)，胸懷博大

It is a useful file to know about how to manufacture in the future.

我想看看，謝謝