Andrew Kusiak

Department of Industrial and Systems Engineering, The University of Iowa, Iowa City, IA 52242-1527, USA

1.引言

產品和解決方案通常是根據合理的市場成本進行開發(fā)，以滿足客戶的需求?？沙惺茱L險的新應用大多采用新技術。隨著時間的推移，某些應用領域的新技術已經飽和。這種市場現象和技術本身的進步會推動該應用領域技術的新發(fā)展（這種技術新發(fā)展在一般情況下容易被忽略）。行業(yè)需要有所準備，以應對偏離正常運行時的風險。一些新應用涉及本文所討論的技術的極限發(fā)展。

作為一門學科，工程學與技術緊密結合。工程活動的兩個領域，即產品設計和制造，將用于假設新興極限——集成極限和開放極限——的特征（圖1）。

2.集成極限

鈣鈦礦太陽能電池是集成極限的一個例子[1]。由于鈣鈦礦太陽能電池與光伏（PV）太陽能電池相比具有更低的成本且能產生更多能量，因此幾家公司正在開展將鈣鈦礦型太陽能電池板推向市場的研發(fā)項目。盡管沒有充分的證據表明鈣鈦礦電池比現有的太陽能發(fā)電機更具優(yōu)勢，但研究人員已在材料（如粉末）、制造工藝（如在增材制造中使用粉末）和太陽能電池板的設計（如分層結構）方面開展了大量研究計劃。

3.開放極限

開放式制造企業(yè)是為生產產品而配置的實物資產和服務的集合。在許多情況下，實物制造資產（physical manufacturing asset）將以制造服務模式運行。這些發(fā)展把競爭力的焦點逐漸從內部開發(fā)的技術轉移到知識的獲取以及配置、重新配置和最佳地操作分布式服務及其實物資產的能力上。

最初，這兩個工程極限因素將占所有產品開發(fā)和制造活動的一小部分（圖1）。大多數產品開發(fā)和制造活動遵循傳統(tǒng)和混合（集成度和開放極限）的方法規(guī)律。但是，隨著兩個極值的擴大，圖1中部區(qū)域會縮小。

4.為什么要進行極限工程？

迄今為止，工程技術的進步，包括工程設計和制造，在很大程度上是不斷發(fā)展的，新技術的進步在未來幾年會給工程設計和制造帶來更大的變化。新材料（如能夠對機械力、磁場或其他刺激產生反應的建筑材料）、制造技術（如4D打?。?、人工智能、工業(yè)數字化以及日益活躍的市場促進了產品開發(fā)和制造中集成和開放極限的出現[2]。

集成極限適用于顛覆性產品和技術的開發(fā)。這些產品和技術的新穎性會對專有技術產生保護。一旦到位，制造工藝的產能擴張將成為滿足市場需求的主要增長方式。集成企業(yè)不會在制造云中推廣其制造服務，因為其重點主要是在產品的新穎性方面。但是，集成企業(yè)可以貢獻或使用制造云中的服務（如供應或分銷）。

開放極限將被實例化為一個開放的企業(yè)，其中包括產品開發(fā)、制造和物流等服務，這些服務不需要企業(yè)本身擁有。開放極限源于四個現象：①產品使用時間減少；②產品需求變化越來越大；③企業(yè)（包括服務制造業(yè)）的服務導向不斷增強；④制造業(yè)中共享經濟概念的普遍性[3]。壽命較短的產品會給制造工藝能力造成壓力，這會造成短時間內對某一產品的需求增加n倍[4]。通過內部擴大生產能力來滿足這種市場條件既不可行，也不具有成本效益。但是，基于共享和服務制造的概念，快速提高生產能力是可行的。

表1總結了集成和開放極限的基本特征。

表1 集成和開放極限的特征

5.開放產品的開發(fā)與制造

在過去的幾十年中，工業(yè)界一直在完善“按設計制造”的方法。這種方法的目的是根據產品和組件的規(guī)格設計所需的產品和組件，而無需進行設計更改。制造設計（或專用制造）原理已在業(yè)界得到廣泛實踐。除了離散制造和裝配工藝之外，研究人員還開發(fā)了支持X-design設計的工具。

在開放制造中，許多未來產品會針對設計階段未知的制造過程進行設計。這種設計實踐將受到以下因素的影響：

（1）不斷增長的市場動態(tài)可能無法容忍建造或擴大現有制造設備所需的開發(fā)時間；

（2）制造業(yè)的實物資產和云資產的可分離性；

并將得到以下方面的支持：

（3）具有設計制造工藝和工具的經驗；

（4）制造資源共享的概念。

一些設計將由“設計即服務”企業(yè)創(chuàng)建。服務即制造的設計是開放制造設計的一個實例。至少有三個現有的工業(yè)實踐[①代工制造（如富士康制造Apple產品）；②分包；③外包服務]證明了工業(yè)領域已經朝著本文假設的制造配置模型發(fā)展。

圖1.兩個極限的企業(yè)架構。

在未來的企業(yè)中，其中一些服務可能由企業(yè)自身擁有和運營，而其他服務可能構成獨立的業(yè)務實體，并分布在全球范圍內。

6.極限工程領域的例子

從當前技術的局限性到不斷變化的市場和氣候條件的原因，極限工程的概念很可能會進入工程活動的各個領域，包括：

（1）土木工程，因為極限天氣會影響建筑和結構的設計。

（2）計算機工程，因為神經網絡的規(guī)模不斷擴大及其能力不斷提高，可以模擬其反映的復雜現象，如極限、深度和廣泛的神經網絡。

（3）環(huán)境工程，因為河流水位以及水電和廢水處理廠的運行會受到降雨方式變化的影響。

（4）能源，因為電氣設備、發(fā)電機的運行以及電力的揀選需求受到極端天氣條件的影響。

（5）電子產品，因為過去該領域一直遵守摩爾定律，這迫使半導體行業(yè)探索包括量子計算在內的新技術。

（6）制造過程，因為用于醫(yī)療、工業(yè)和消費產品的高精度組件需要新的尺度和公差。Zhang等[5]對高精度材料技術進行了綜述。Fang等[6]總結了近原子尺度制造的進展。Fujimoto等[7]回顧了用于大批量生產的極紫外光源的情況。產品設計和制造需求中需要考慮自然災害和流行病[如新冠病毒肺炎（COVID-19）]導致的產品結構和數量的意外變化。

（7）運輸，如航空、私家車和公共交通工具，都會對極端天氣條件產生影響。

7.結論

科學正在尋找尚未解決的問題的解決方案?？梢约僭O，影響最大的想法出現在主流研究領域之外，如從生物學和醫(yī)學領域的基因編輯到發(fā)現新行星，生成對抗網絡的概念可以被認為是一種數據科學的極限發(fā)展。生成對抗網絡的最新應用由Kusiak [8]提出。這些發(fā)展將支持極限科學作為未來的研究學科。

在工程中可以觀察到類似的極限發(fā)展。本文主要關注兩個工程極限：集成極限和開放極限。通過涉及新材料、新產品和新制造過程的產品開發(fā)和制造案例，說明了集成的極限性。集成極限是創(chuàng)新的核心。

本文將一家開放企業(yè)作為開放極限的例子。這樣的企業(yè)是包括服務制造在內的服務集合。在兩個極限中，原始業(yè)務實體不需要擁有任何產品開發(fā)資產；相反，所有這些都將通過開放服務進行配置。原始業(yè)務實體將擁有產品，其重點將放在新概念（如產品）的開發(fā)上，而不是傳統(tǒng)的產品開發(fā)和制造活動。某些工程學科已經提供了一些極限示例，這些示例證明極限工程值得研究界和實踐界的關注。