通过高度自动化生产方式生产出的产品,像手工制作般各具特色,这是如何实现的?工业4.0是一场革命,但远远不是结束。

作者:Ulrich Eberl博士

我们对未来的设想,即愿景,一直与我们所熟悉的理念和物体相关联,否则这些对我们来说丝毫无法想象。科幻世界中的设想既令我们迷惑,又令我们向往,因为其中之物不再只是一个完全受人类创意掌控的物体对象,而是具有自主身份的个体。当今数字时代中的科幻展示了一幅后数字美学的愿景。这种愿景在Sucuk und Bratwurst团队的图画中与人们所熟悉的街头文化的表现形式彼此融合。

她出现在裸眼立体OLED显示屏前,清了清嗓音, 发出的声音令人几乎难辨真假:“这里有一个非同寻常的订单。”Kira是“用于机器人和自动化的人工智能”,她的外形是一位面带自信微笑的职业女性。随着她手部的动作,多功能桌子的中央升起一个边长约120厘米的透明立方体——一个全息显示器,激光控制的3D物体可以在其空间内自由移动。

在全息显示器中,一辆比例为1:5的车正在转动。强大的电动机提供了动力。车辆内部采用三维纹理的表面抛光钢材,车身外部采用变色龙漆,只需按一下按钮即可显示彩虹色效果。可折叠的电动螺旋桨从车身底部伸出,随即车身开始毫不费力地垂直上升,车轮消失在座椅之下,转子的轴不停转动,转眼间,一辆汽车变身一架最远可飞行100公里的飞机。

随着显示器的操作声,生产车间图景展现在人们眼前:众多生产单元、运输机械、自动机器人,以及几位进行监控并能在出现问题时及时介入的工作人员。图像中间有一台设备,当激光束打在精细的金属和陶瓷粉末上时,它会一次又一次地闪烁。这是在生产非常稳定的形状记忆合金,当加热或冷却时,它们会改变自己的晶体结构。在由电控压电陶瓷支撑的关键点处,它们可为飞行汽车的复杂摆动和倾斜运动提供动力。显示器模拟显示了这种4D打印的细节,以及对整个生产过程、供应链和供货日期、远程诊断和维修的持续优化,甚至新车生命周期末期的回收利用也一览无遗。

个性十足的座驾
这个场景也许会发生在2030年代?工业4.0提出的概念尚未全部发展到最高水平,未来学家们已经开始考虑之后的事情了。工业4.0之后会发生什么?工业生产会朝哪个方向发展?

方向非常明确:高度自动化的单品生产。人们总是喜欢展现自己的个性,表达自己的独特和真实。因此,品牌生产商也将自己的产品个性化,提供众多的额外配置,实现了上百万种可能性。通过众包和共创,客户也成为合作伙伴。他们可以通过互联网分享设计思路或改进建议,从而直接介入开发和生产流程。此外,越来越多的驱动方式可供选择,例如矿物燃料、可再生能源,或者电力驱动。未来的智能汽车不仅相互间会交换信息,还会与基础设施产生沟通。无论是在共享、租赁还是按需移动解决方案中,移动性概念正在向以需求为导向的方向发展。

通过智能手机应用程序或智能扬声器,召唤自动驾驶电动出租车将成为未来城市的典型做法,特别是针对人口老龄化的趋势。到2050年,三分之一的中欧人将超过65岁,八分之一超过80岁。与今天相比,百岁高龄老人的人数将会增加十倍。二十四小时待命的自动驾驶汽车可确保人们出行的机动性,同时缓解城市的交通拥挤状况。迪拜现在已经开始发展飞行出租车, 从而向第三维度发展。阿拉伯酋长国计划在2030年以前,将其四分之一的交通出行转变为自动化出行,这不仅面向道路交通,也包括空中出行。

数字化双胞胎的诞生
大规模定制,也就是批量生产与按客户要求定制相结合,是工业4.0的一个基本目标。但这具体会是什么样子?如何实现工厂运营更加灵活,人与物之间相互沟通,并且相互连结从而成为智能工厂?如何在短时间内生产出独一无二的高度定制产品,并在节能和环保的前提下兼顾生产的高度自动化?

未来的制造业更像是一个组织完美、拥有群体智慧的蚂蚁王国,而不像过去那样,按部就班地一步步计划。基于工业4.0的变革,数字化囊括了整个价值创造链,软件、传感器、处理器和通信技术智能地组合在一起,将虚拟世界和现实世界连接起来。在数字化工厂中,产品首先在虚拟世界中以数字化双胞胎形式诞生,在计算机中进行设计并使用自适应算法进行优化。它们的运行、维护、甚至回收都会经过专门测试,在此之前,不会启动真实产品的生产。研发者在虚拟世界中反复研究从人员流动到机器互动的整个生产流程。

所有与规划和生产相关的重要人员都通过互联网连接起来,实时进行改进并互相交流讨论。得益于数字化双胞胎,生产工人在实际生产中也不会孤立无援:借助增强现实技术, 工人可以直接将详细资料、3D数据或短视频等添加到现实环境中作为辅助工具,例如可将信息投射在车辆车身上并通过平板电脑或虚拟现实眼镜查看效果。为了能够尽可能灵活地进行生产,自动化的运输单元将车辆和组装部件运送到生产单元,并由人和机器人一同进行组装。如果一个生产单元当前正被占用,运输单元会自动寻找另一个空闲并可将生产步骤提前的生产单元。

智能的工件可以相互对话
在自我优化生产过程中,其关键词是“物联网”,机器之间的信息交换与人和机器之间的沟通同等重要。即使在今天,通过互联网连接的机器比居住在地球上的人还要多,并且这个数字还在以每年40%的速度增长。每天,各种各样的设备,如传感器、电脑、智能手机等,所产生的数据是世界上所有书籍内容的十倍以上。工厂里越来越多的工件也变得“智能”,纷纷转向所谓的信息物理融合系统,例如,每个工件都装有一个无线电芯片,用来存储自身的产品记忆,即它自己的身份被存储起来。因此,工件可以相互交换数据,也可以与工厂控制系统沟通。另外,它们随时都能掌握自己的进程以及接下来的任务。

将来,生产单元中不仅会有人工操作,协作式机器人也会参与其中。无需防护栏,这些机器人便可与工人共同工作,而带有物体识别功能和灵敏传感器的摄像机确保机器人非常安全。如果它们感应到程序外的任何接触,例如与机械臂或夹持器的接触,便会在千分之一秒内迅速停止操作。未来这些机器人还能存储员工身高或个人限制条件等数据,机器人会据此进行自动调整。

带有记忆的材料
除此之外,先进的生产技术也值得一提。以前,生产领域中不外乎锻造、碾磨、钻孔或铸造;而如今,基于激光的3D打印可逐层融合粉末材料,能够制成具有高度复杂几何形状的物体,此举简单易行,只需直接访问数字双胞胎的数据即可。这种技术不仅适用于快速固化的塑料,也可用于金属和陶瓷。

未来还可能实现四维打印,即通过3D打印融合在一起的材料在第四维时间中以另一种全新的形式呈现。这种转变可以通过高温、高湿,或借助电流来完成。这种四维打印技术对记忆金属尤其适用,即镍钛合金之类的形状记忆合金,它们在加热后会呈现某种特定的形状,但在冷却时又会恢复原状。人造肌肉也可通过这种方式,由电活性塑料或可扭曲的碳纳米管制成。

具有学习能力的机器是工业5.0的关键
无论是生产过程的不断改进、机器人的培训、实现供应商和客户的共同参与,还是要找到机器运行最简单的方式,如果人工智能没有得到广泛应用,未来的智能工厂是很难想象的。这已远远超出了工业4.0的数字化概念,人工智能可谓是实现工业5.0的重大质量飞跃。在人工智能的影响下,编程已成为过去;未来,各种机器可由自然语言和手势对话控制,也就是说,工人只需向机器展示它们的任务,并像与智能手机和智能扬声器那样同它们交流。此外,通过分析无数传感器的海量数据,人工智能可及早发现机器人或生产过程中存在的问题。通常情况下,在真正出现偏差、不规范或质量问题等之前,就有了信号。因此,通过这种方式,人工智能系统能及时发出警报,并推荐解决方案,人类专家可以与机器对话,对相关问题进行讨论,确定优先级并实施。

未来,人工智能还将预先对数字双胞胎的数据和实际生产环境的信息进行模拟,对尚未发生,但有可能出现的问题进行预测并做好准备。艺术创造力将发挥更大作用,即智能机器将提出设计建议,结合产品理念和制造工艺,并根据从人类那里收到的反馈对设计进行改进和完善。

毫无疑问,在今后十到二十年的时间里,智能工厂将大范围使用能够相互交换信息的自动化机器,以及“拥有独立身份”的工件。当然,人类仍将发挥至关重要的作用。人类不仅在出现问题时,担任“消防员”,还将成为掌控者和思考者,策划者和决策者,问题和冲突的创造性解决者,产品质量、安全性和可靠性的“守护者”,更是关键的合作伙伴,向客户和供应商展现自己在情感和社交方面的实力。在未来的智能工厂中,人类的任务不会是单一重复的,而是更多样化,充满更多挑战,相比传统工厂,更加符合对个性的追求。

但无论如何,Kira或者说人工智能并不会取代人类,而仅仅是达到目的的一种方式。

 

乌尔里希·埃贝尔博士(Dr. Ulrich Eberl)于慕尼黑科技大学获得物理学博士学位,曾在西门子公司工作了超过20年,致力于通讯领域的研发工作。埃贝尔先生是斩获多项国际大奖的著名杂志《未来之窗》(Pictures of the Future)的创始人,并担任主编长达15年。他还撰写过众多专业书籍,例如《未来2050——我们如何在今天塑造未来》(2011年)和《智能机器——人工智能如何改变我们的生活》(2016年)。

Sucuk und Bratwurst是一个由亚历山德罗·贝列洛(Alessandro Belliero)、大卫·格纳(David Gönner),以及卢卡斯·奥加克(Lukas Olgac)和丹尼斯·奥加克(Denis Olgac)组成的美因茨四人设计工作室。以互联网、速度和一切绚烂耀眼之物为灵感,他们在成立工作室前最初以自由创作、数字拼贴与3D渲染开启了自己的职业生涯,这些可能都要归于“后互联网艺术”的范畴。从2014年开始,他们逐渐以其介于科幻和改编创作之间的数字、立体作品获得外界熟知。除了为国际运动品牌、音乐家和杂志进行创作外,他们还在全德国的博物馆和画廊举行展览,并在艺术和设计院校举办讲座。