大纤维与编材制造:一场基于纤维的新工业革命

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的时候,通常从制造技术进步和管理流程变革两个角度来解读。比较有意思的是工程院院长周济总结的所谓HCPS(人-Cyber-物理系统),把人纳入物理世界和Cyber世界的互动之中;这两年大家关注工业互联网,主要从数字驱动和商业模式演变的角度来阐释,但我们始终不能忘记GE工业互联网之父看问题的角度,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和智能机器人上来了,看问题的角度多是技术落地和社会伦理。尽管AI和机器人各自发展了数十年,强人工智能和能够理解情感和人类智慧的机器人距离我们还十分遥远,但人们很愿意讨论机器智能和人类智能的关系问题。昨天看一篇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”的概念,即无论采用何种技术,无论过程如何演进,我们都在寻求人或社会(People)/地球或环境(Planet)/利润或财富(Profit)三者之间的更高水平的平衡。看起来,无论世道如何演变,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。最近有一篇文章介绍卡耐基梅隆大学的科学家们开发出了新的非侵入脑机接口技术,可以仅仅依靠头戴式传感器采集大脑皮层的脑电波信号实现由人的意识控制机器臂跟踪电脑屏幕上随机出现的小球。据称该技术的发展将引发人机交互领域的新革命,带来健康养老等领域的技术飞跃。这样的黑科技实际上是柔性可穿戴智能传感技术、人工智能技术、机器人技术和ICT技术的交叉融合。所以更加客观的观点其实是,下一次工业革命是充分跨界的,是由不同领域的科技突破互相促进互相融合之后共同激发的,而新材料及其制造技术的重大突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

大纤维是基于材料、信息、机电、生物、能源等学科领域的技术突破与交叉融合,以“智能,超能,绿色”为特征,具有多功能、多结构、多组分特性,对众多产业集群起到高渗透性、颠覆性、革命性提升效果的新一代纤维(见《大纤维产业技术发展白皮书》,2018年9月)。例如,一个以先进纤维材料为基础,具备多组分、多结构和多功能特点,能够感知、计算、储能、通信、执行的新型智能纤维家族已经开始出现并走向市场,国内复旦、浙大、东华等高校和研究机构均有类似技术和产品的研发,有的还注册了公司进行小规模制造和产业化。香港理工大学陶肖明团队从事的基于纤维的智能可穿戴技术开发,致力于通过纤维解决发电、传感和通信问题,下一代可穿戴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跨越。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。

这方面的例子还有很多,如MIT陈刚教授开发的高导热率纤维颠覆了传统高分子材料绝热理论,通过拉伸重构使纤维中聚合物链有序排列,以此获得具有“理想”单晶结构和高导热率的纤维。斯坦福崔屹教授开发的硅纳米线电池负极、纳米高分子纤维制作的PM2.5过滤膜和纳米多孔聚乙烯布料,也都是从功能需求出发、基于物理原理研发出来的纳米纤维产品。蜘蛛丝几十年来用传统化学合成理论和方法一直无法制造出来,现在采用生物合成理论,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重要的纺织材料进步。上海长胜集团釆用冷转印(cooltrans)技术精确定量以印代染,颠覆了几千年来大量使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,成为发展智能化电子织物产业化的平台级技术。

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相比传统材料如钢材、塑料等有明显的差异化优势。钢材的主要特征是强度高、塑性好、韧性好、耐冲击、性能稳定、加工性好等,但也有易锈蚀、维护费用高、耐火性差、生产能耗大等缺点。在高性能钢材的传统优势应用领域如汽车和飞机制造等,已经有越来越高的比例将使用基于纤维的复合材料以达到更高的柔韧性、轻量化和高能效。2018年底曾经有文章报道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(完全省掉了裁剪,冲压,焊接等金属加工工序)复合制成,又在织物中混合了具有太阳能发电功能的纤维,可取代部分电池。多功能碳纤维的采用使整车性价比大大提高。这是很典型的大纤维部分取代传统材料的应用案例。

更进一步,智能、超能、绿色特征的交叉融合将诞生许多完全崭新的纤维品种,其中相当比例最终将转化为巨大的商业价值,给下游许多产业带来深刻的影响并从根本上改变这些产业的生态,从而诞生一个庞大的新兴产业集群。我们把大纤维相关技术/产品以及围绕下游丰富应用所形成的新产业集群叫做大纤维产业。

大纤维具有与生俱来的跨领域、跨学科的交叉特性。其理论基础和技术路线也呈现百花齐放的勃勃生机。例如在结构优化理论指导下,采用基于光纤的多材料、多结构产生多功能智能纤维;在纳米理论指导下,发展基于碳纳米管、石墨烯的高功能纤维;在高分子设计理论指导下,从分子结构上开发超高性能纤维;以及在合成生物学理论指导下,通过转基因技术创造高性能生物纤维等等。

正如序言部分谈到的,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戴系统或人体植入式系统,可以以最安全、最轻便、最有效的方式采集人体数据、监测人体健康、施加有效影响并帮助人提升健康和运动水平。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重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世界、实体物理世界和虚拟信息世界之间最佳的桥梁。所以说,大纤维的出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创新制造技术

美国物理学家费曼提出过一个著名问题:“假如原子能够按照我们设想的方式来排列,那么材料将会有怎样的性质?”他的问题启示高分子科学家们要走出传统高分子的范畴,将可控的分子不均一性及其相关的精确结构引入合成高分子,拓展合成高分子的基本结构,实现更为精密的功能化。在美国工程院程正迪院士等撰写的《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,提示我们要从结构发展到关于功能性的考量,比如:纱布过去只是用于包扎伤口,但用大纤维来开发的智能纱布除了包扎伤口之外还有消炎、治疗功能并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告诉我们,在物理层次上,关于大纤维的讨论绝不应仅仅着眼于在纤维和织物这样的中观层面上进行,还应该向微观进发下探到分子和原子的基本层次,同时向宏观扩展上升到器件和系统、甚至超系统(系统之系统)的层次。因此大纤维的物理层次包括七层,他们是:原子-分子(链)-纤维-织物-器件-系统-超系统(系统之系统)。过去我们较多从纤维的结构特点和彼此之间的联结关系出发指向具体的功能,现在则须更多从需求出发,确定功能性,再来设计纤维结构,必要时可以多组分、多结构融合获取所需要的功能。

位于德国的欧洲最大的纺织研发中心DITF(The German Institutes of Textile and Fiber Research Denkendorf)提出其研究范围覆盖从分子到产品(From Molecule to Product)的完整纺织产品和价值链,其技术竞争力体现在从高分子合成、纤维和纱线、织物和结构、功能化直至工业4.0的多个层次。德累斯顿技术大学机械科学与工程学院下设的纺织机械与高性能材料技术研究所ITM(Institute of Textile Machinery and High Performance Material Technology)更进一步将研究范围延伸到从原子到产成品(From Atom to Finished &Ready to Use Products)。其教学和研究的范畴分为四个层次:仿真和材料建模、产品开发、工艺技术开发和机械装备开发。在笔者和这两家单位的专家交流的过程中,他们普遍认为,其研究范围早已经超出了传统纺织的范畴,也不仅仅是技术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概念时,无一例外地表示认同。

大纤维兼具材料技术革命与制造技术革命的双重意义。它充分利用现有的纺织和其他先进制造技术并不断发展出新的制造技术,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术或生物合成技术,杂化以及各类聚合物分子合成技术(纤维和基质用聚合物、碳纤维前体、陶瓷纤维、纤维素和生物高聚物等);在纤维和纱线层面,有湿式/干式纺技术、熔融纺技术、双组分纺技术、变形和拉伸、非织造技术、短纤维技术和精密卷绕技术等;在织物和结构层面,有间隔技术、编织、编带、机织、针织、编织连接、组织工程、膜技术、编织挤拉、结构卷绕技术等;在功能化和器件层面,有溶胶-凝胶技术、染整技术、数字印刷技术、纳米技术、物理和化学方法、涂层、电子元件集成、传感和执行特性的开发等;在智能系统和超系统层面,有建模仿真、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术等等。

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混合手段制造。大纤维所对应的制造工艺技术体系,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/或数字建造方法,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发。

可以这样说,基于大纤维的从原子到超系统的新制造技术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价值的制造模式,大纤维产业工作组的专家们首次创新地称之为“编材制造”。这个“编”字,既反映了传统意义上的纤维和纱线层面上的纺制和编织,更反映了在分子甚至原子层面的编辑和剪裁;既反映了在织物和器件层面上的集成和结构化,更反映了在系统和超系统层面上的多维数字化编程而赋予对象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、绿色、超能纤维为特征,展现了从原子到产品、再到系统和超系统的广大纵深。其应用行业不仅覆盖传统领域如技术性纺织品、能源、轻量化构造、医疗、建筑和土木工程,还对诸多战略性新兴产业具有强大的促进作用,如物联网、半导体、汽车、航空航天、智能机器人等等。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MIT校长Rafael Reif的说法:“基于纤维的半导体(与硅基半导体完全不同)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!”

与大纤维相关的以编材制造命名的新制造技术体系,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术,而且包含了大量创新的尖端的制造工艺和技术。如采用编材制造技术制造多功能、多结构的智能纤维,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。对编材制造工艺技术的研究和掌握,以及相应研发、制造、测试和验证装备的开发,是大纤维最终走向产业应用的必由之路,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,现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。中国制造业产业链尽管相对比较完整,但在这两个立足点上十分薄弱,长期依靠跟随策略难以解决根本问题,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、由材料突破和制造突破双轮驱动的工业革命即将来临!抓住这两个战略支点,就抓住了建立强大现代工业的牛鼻子,就有可能为我们的制造强国梦带来全局性的突破!

原文始发于:大纤维与编材制造:一场基于纤维的新工业革命


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