<p>制造業(yè)度過(guò)了一個(gè)大夏天。今年8月簽署的《芯片與科學(xué)法案》代表著對(duì)美國(guó)國(guó)內(nèi)制造業(yè)的大規(guī)模投資。該法案旨在大幅擴(kuò)大美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，加強(qiáng)供應(yīng)鏈，并投資于新的技術(shù)突破的研發(fā)。機(jī)械工程教授、麻省理工學(xué)院制造與生產(chǎn)力實(shí)驗(yàn)室主任約翰&middot;哈特(John Hart)表示，CHIPS法案只是近年來(lái)人們對(duì)制造業(yè)興趣顯著增加的最新例證。</p> <p>&nbsp;</p> <p>哈特說(shuō):&ldquo;有多種力量共同發(fā)揮作用:疫情對(duì)供應(yīng)鏈的影響、全球地緣政治局勢(shì)，以及可持續(xù)性的緊迫性和重要性。&rdquo;&ldquo;這使政府、行業(yè)和投資界的激勵(lì)措施保持一致，以加速制造業(yè)和工業(yè)技術(shù)的創(chuàng)新。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>隨著對(duì)制造業(yè)的日益關(guān)注，我們需要優(yōu)先考慮可持續(xù)性。</p> <p>&nbsp;</p> <p>2020年，大約四分之一的溫室氣體排放來(lái)自工業(yè)和制造業(yè)。工廠和工廠也會(huì)耗盡當(dāng)?shù)氐乃Y源儲(chǔ)備，產(chǎn)生大量的廢物，其中一些可能是有毒的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了解決這些問(wèn)題并推動(dòng)向低碳經(jīng)濟(jì)的過(guò)渡，必須在開(kāi)發(fā)可持續(xù)制造技術(shù)的同時(shí)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品和工業(yè)工藝。哈特認(rèn)為機(jī)械工程師在這一轉(zhuǎn)變中扮演著至關(guān)重要的角色。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;機(jī)械工程師可以獨(dú)特地解決需要下一代硬件技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題，并知道如何將他們的解決方案規(guī)?；?。&rdquo;哈特說(shuō)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>由麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系的教師和校友創(chuàng)立的幾家快速增長(zhǎng)的公司為制造業(yè)的環(huán)境問(wèn)題提供了解決方案，為更可持續(xù)的未來(lái)鋪平了道路。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>梯度:清潔技術(shù)水解決方案</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>制造業(yè)需要大量的水。一個(gè)中等規(guī)模的半導(dǎo)體制造工廠每天要消耗1000萬(wàn)加侖以上的水。在一個(gè)越來(lái)越受干旱困擾的世界里，這種對(duì)水的依賴構(gòu)成了一個(gè)重大挑戰(zhàn)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Gradiant為這個(gè)水問(wèn)題提供了一個(gè)解決方案。該公司由Anurag Bajpayee SM ' 08, PhD ' 12和Prakash Govindan PhD ' 12共同創(chuàng)立，是可持續(xù)或&ldquo;清潔技術(shù)&rdquo;水項(xiàng)目的先驅(qū)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>作為羅森諾肯德?tīng)杺鳠釋?shí)驗(yàn)室的博士生，巴杰帕伊和戈文丹有著共同的實(shí)用主義和行動(dòng)傾向。他們都從事海水淡化研究，Bajpayee和陳剛教授合作，Govindan和John Lienhard教授合作。</p> <p>&nbsp;</p> <p>戈文丹在印度金奈度過(guò)了嚴(yán)重干旱的童年，受此啟發(fā)，他在攻讀博士學(xué)位時(shí)開(kāi)發(fā)了一種模擬自然降雨周期的加濕-除濕技術(shù)。他們將這項(xiàng)技術(shù)命名為載氣萃取(CGE)，并于2013年創(chuàng)立了Gradiant公司。</p> <p>&nbsp;</p> <p>CGE的關(guān)鍵在于一種專有算法，該算法可以解釋廢水飼料中質(zhì)量和數(shù)量的可變性。該算法的核心是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，戈文丹建議有朝一日將其命名為&ldquo;林哈德數(shù)&rdquo;(Lienhard number)，以他的博士導(dǎo)師命名。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;當(dāng)系統(tǒng)中的水質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，我們的技術(shù)會(huì)自動(dòng)向工廠內(nèi)的電機(jī)發(fā)送信號(hào)，調(diào)整流速，使無(wú)量綱數(shù)恢復(fù)到1。一旦它恢復(fù)到1，你就處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，&rdquo;戈文丹解釋道，他是Gradiant的首席運(yùn)營(yíng)官。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該系統(tǒng)可以處理和清潔制造工廠產(chǎn)生的廢水進(jìn)行再利用，最終每年節(jié)約數(shù)百萬(wàn)加侖的水。</p> <p>&nbsp;</p> <p>隨著公司的發(fā)展，Gradiant團(tuán)隊(duì)增加了新技術(shù)，包括選擇性污染物提取，一種只去除特定污染物的經(jīng)濟(jì)高效的方法，以及一種稱為逆流反滲透的鹽水濃縮方法。他們現(xiàn)在為包括制藥、能源、采礦、食品和飲料以及不斷增長(zhǎng)的半導(dǎo)體行業(yè)的客戶提供水和廢水處理解決方案的完整技術(shù)堆棧。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們是端到端的水解決方案提供商。我們擁有一系列專有技術(shù)，并將根據(jù)客戶的需求從我們的&ldquo;箭袋&rdquo;中進(jìn)行挑選。&rdquo;現(xiàn)任Gradiant首席執(zhí)行官的Bajpayee說(shuō)。&ldquo;客戶將我們視為他們的水務(wù)合作伙伴。我們可以端到端解決他們的用水問(wèn)題，這樣他們就可以專注于自己的核心業(yè)務(wù)。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>Gradiant在過(guò)去10年經(jīng)歷了爆炸式增長(zhǎng)。到目前為止，他們已經(jīng)建成了450座水和廢水處理廠，每天處理的水相當(dāng)于500萬(wàn)戶家庭的用水。最近的收購(gòu)使他們的員工總數(shù)增加到500人以上。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Gradiant解決方案的多樣性反映在他們的客戶中，包括輝瑞、百威英博和可口可樂(lè)。他們的客戶還包括美光科技、GlobalFoundries、英特爾和臺(tái)積電等半導(dǎo)體巨頭。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Bajpayee說(shuō):&ldquo;在過(guò)去的幾年里，我們真的發(fā)展了我們?cè)诎雽?dǎo)體廢水和半導(dǎo)體超純水服務(wù)方面的能力和聲譽(yù)。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>半導(dǎo)體制造商需要超純水進(jìn)行制造。飲用水的溶解固體總量為百萬(wàn)分之一，而用于制造微芯片的水的溶解固體總量為十億分之一或千萬(wàn)億分之一。</p> <p>&nbsp;</p> <p>目前，新加坡半導(dǎo)體制造廠(晶圓廠)的平均回收率只有43%。利用Gradiant的技術(shù)，這些晶圓廠每天可以回收1000萬(wàn)加侖水中的98- 99%。這些重復(fù)使用的水足夠純凈，可以重新投入生產(chǎn)過(guò)程。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Bajpayee補(bǔ)充說(shuō):&ldquo;我們所做的就是消除這種污水的排放，幾乎消除了半導(dǎo)體工廠對(duì)公共供水的依賴。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>隨著新法規(guī)的出臺(tái)，晶圓廠改善用水的壓力越來(lái)越大，這使得可持續(xù)性對(duì)品牌所有者及其利益相關(guān)者更加重要。</p> <p>&nbsp;</p> <p>隨著國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在CHIPS和科學(xué)法案的影響下不斷擴(kuò)張，Gradiant看到了將他們的半導(dǎo)體水處理技術(shù)帶到美國(guó)更多工廠的機(jī)會(huì)。</p> <p>&nbsp;</p> <p><strong>通過(guò)分離:高效的化學(xué)過(guò)濾</strong></p> <p>&nbsp;</p> <p>像巴杰帕伊和戈文丹一樣，Shreya Dave ' 09, SM ' 12，博士' 16專注于她的博士論文的海水淡化。在她的導(dǎo)師、材料科學(xué)與工程教授杰弗里&middot;格羅斯曼(Jeffrey Grossman)的指導(dǎo)下，戴夫制造了一種可以更高效、更便宜地脫鹽的薄膜。</p> <p>&nbsp;</p> <p>經(jīng)過(guò)徹底的成本和市場(chǎng)分析，戴夫得出結(jié)論，她開(kāi)發(fā)的海水淡化膜不會(huì)商業(yè)化。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;目前的技術(shù)真的很擅長(zhǎng)他們所做的事情。它們成本低，批量生產(chǎn)，而且很有效。我們的技術(shù)在市場(chǎng)上沒(méi)有空間。&rdquo;戴夫說(shuō)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在論文答辯后不久，她在《自然》雜志上讀到了一篇評(píng)論文章，這篇文章改變了一切。這篇文章概括了一個(gè)問(wèn)題。化學(xué)分離是許多制造過(guò)程的核心，需要大量的能源。工業(yè)需要更高效、更便宜的膜。戴夫覺(jué)得她可能有辦法。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在確定有一個(gè)經(jīng)濟(jì)機(jī)會(huì)后，戴夫、格羅斯曼和布倫特&middot;凱勒博士于2017年成立了Via Separations。此后不久，他們被選為首批獲得麻省理工學(xué)院風(fēng)險(xiǎn)投資公司the Engine資助的公司之一。</p> <p>&nbsp;</p> <p>目前，工業(yè)過(guò)濾是通過(guò)在非常高的溫度下加熱化學(xué)品來(lái)分離化合物。戴夫把它比作做意大利面，把所有的水都煮掉，直到蒸發(fā)，剩下的就只有意大利面了。在制造業(yè)中，這種化學(xué)分離方法是極其耗能和低效的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Via Separations創(chuàng)造了化學(xué)上的&ldquo;意大利面過(guò)濾器&rdquo;。它們的膜&ldquo;過(guò)濾&rdquo;化學(xué)化合物，而不是利用熱來(lái)分離。這種化學(xué)過(guò)濾方法比標(biāo)準(zhǔn)方法少用90%的能量。</p> <p>&nbsp;</p> <p>雖然大多數(shù)膜是由聚合物制成的，但Via Separations的膜是由氧化石墨烯制成的，可以承受高溫和惡劣的條件。通過(guò)改變孔隙大小和調(diào)整表面化學(xué)成分，膜可以根據(jù)客戶的需求進(jìn)行校準(zhǔn)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>目前，戴夫和她的團(tuán)隊(duì)正專注于紙漿和造紙行業(yè)作為他們的灘頭市場(chǎng)。他們開(kāi)發(fā)了一種系統(tǒng)，使一種被稱為&ldquo;黑液&rdquo;的物質(zhì)的回收更加節(jié)能。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;當(dāng)樹(shù)木變成紙張時(shí)，只有三分之一的生物量被用于紙張。目前，剩余的三分之二不需要造紙的最有價(jià)值的用途是通過(guò)蒸發(fā)器將水煮沸，將水從相當(dāng)稀的溪流變成相當(dāng)濃的溪流。&rdquo;戴夫說(shuō)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>然后將這些黑液焚燒。產(chǎn)生的大部分能量被用來(lái)驅(qū)動(dòng)過(guò)濾過(guò)程。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Dave補(bǔ)充道:&ldquo;在美國(guó)，這種閉環(huán)系統(tǒng)消耗了大量的能源。我們可以通過(guò)在鍋爐前放置&lsquo;面食過(guò)濾器&rsquo;，使這一過(guò)程的效率提高84%。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>VulcanForms:工業(yè)規(guī)模的增材制造</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>約翰&middot;哈特在麻省理工學(xué)院任教的第一個(gè)學(xué)期收獲頗豐。他教授了一門關(guān)于3D打印的課程，即增材制造(AM)。雖然這不是他當(dāng)時(shí)的主要研究重點(diǎn)，但他發(fā)現(xiàn)這個(gè)話題很吸引人。班里的許多學(xué)生也是如此，包括馬丁&middot;費(fèi)爾德曼孟' 14。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在獲得先進(jìn)制造專業(yè)的學(xué)士學(xué)位后，費(fèi)爾德曼全職加入了哈特的研究小組。在那里，他們因?yàn)閷?duì)AM的共同興趣而聯(lián)系在一起。他們看到了利用現(xiàn)有的金屬AM技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新的機(jī)會(huì)，被稱為激光粉末床融合，并提出了在工業(yè)規(guī)模上實(shí)現(xiàn)金屬AM的概念。</p> <p>&nbsp;</p> <p>兩人于2015年共同創(chuàng)立了VulcanForms。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們已經(jīng)為金屬AM開(kāi)發(fā)了一種機(jī)器架構(gòu)，可以制造具有卓越質(zhì)量和生產(chǎn)力的部件。&rdquo;Hart說(shuō)。&ldquo;而且，我們已經(jīng)將我們的機(jī)器集成到一個(gè)全數(shù)字化生產(chǎn)系統(tǒng)中，結(jié)合AM、后處理和精密加工。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>與其他公司出售3D打印機(jī)給別人生產(chǎn)零件不同，VulcanForms使用他們的工業(yè)機(jī)器為客戶制造和銷售零件。VulcanForms已經(jīng)發(fā)展到近400名員工。去年，該團(tuán)隊(duì)在馬薩諸塞州的德文斯開(kāi)設(shè)了他們的第一家生產(chǎn)工廠，名為&ldquo;VulcanOne&rdquo;。</p> <p>&nbsp;</p> <p>VulcanForms生產(chǎn)部件的質(zhì)量和精度對(duì)于醫(yī)療植入物、熱交換器和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等產(chǎn)品至關(guān)重要。他們的機(jī)器可以打印出比頭發(fā)絲還薄的金屬層。</p> <p>&nbsp;</p> <p>哈特是該公司董事會(huì)成員，他補(bǔ)充說(shuō):&ldquo;我們正在生產(chǎn)的部件很難生產(chǎn)，在某些情況下不可能生產(chǎn)。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>VulcanForms開(kāi)發(fā)的技術(shù)可能有助于以更可持續(xù)的方式制造零件和產(chǎn)品，既可以直接通過(guò)添加劑工藝，也可以間接通過(guò)更高效、靈活的供應(yīng)鏈。</p> <p>&nbsp;</p> <p>VulcanForms和AM促進(jìn)可持續(xù)性的一種方式是通過(guò)節(jié)省材料。</p> <p>&nbsp;</p> <p>VulcanForms使用的許多材料，如鈦合金，都需要大量的能源來(lái)生產(chǎn)。當(dāng)鈦部件是3d打印時(shí)，使用的材料比傳統(tǒng)加工過(guò)程要少得多。這種材料效率是哈特認(rèn)為AM在節(jié)約能源方面產(chǎn)生巨大影響的地方。</p> <p>&nbsp;</p> <p>哈特還指出，AM可以加速清潔能源技術(shù)的創(chuàng)新，從更高效的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)到未來(lái)的聚變反應(yīng)堆。</p> <p>&nbsp;</p> <p>哈特補(bǔ)充說(shuō):&ldquo;尋求降低風(fēng)險(xiǎn)和擴(kuò)大清潔能源技術(shù)規(guī)模的公司需要專門知識(shí)和先進(jìn)的制造能力，而工業(yè)增材制造在這方面具有變革性。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>LiquiGlide:通過(guò)消除摩擦減少浪費(fèi)</p> <p>&nbsp;</p> <p>說(shuō)到制造業(yè)和消費(fèi)產(chǎn)品的浪費(fèi)，有一個(gè)不太可能的罪魁禍?zhǔn)?摩擦。機(jī)械工程教授Kripa Varanasi和LiquiGlide團(tuán)隊(duì)的使命是創(chuàng)造一個(gè)無(wú)摩擦的未來(lái)，并大幅減少過(guò)程中的浪費(fèi)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>LiquiGlide由Varanasi和校友David Smith SM ' 11于2012年創(chuàng)立，設(shè)計(jì)定制涂層，使液體能夠在表面&ldquo;滑動(dòng)&rdquo;。產(chǎn)品的每一滴都可以被利用，無(wú)論是從牙膏管中擠出來(lái)的，還是從制造廠的500升水箱中排出的。使容器無(wú)摩擦大大減少了浪費(fèi)的產(chǎn)品，并消除了在回收或重復(fù)使用之前清潔容器的需要。</p> <p>&nbsp;</p> <p>自成立以來(lái)，該公司在消費(fèi)產(chǎn)品方面取得了巨大成功?？蛻舾呗稘嵲诟呗稘岴lixir牙膏瓶的設(shè)計(jì)中使用了LiquiGlide的技術(shù)，該產(chǎn)品獲得了多個(gè)行業(yè)設(shè)計(jì)獎(jiǎng)項(xiàng)。LiquiGlide與世界著名設(shè)計(jì)師Yves B&eacute;har合作，將他們的技術(shù)應(yīng)用于美容和個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品包裝。與此同時(shí)，美國(guó)食品和藥物管理局已經(jīng)批準(zhǔn)了他們的設(shè)備主備案，為該技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備、藥物輸送和生物制藥領(lǐng)域的應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>2016年，該公司開(kāi)發(fā)了一種使容器制造無(wú)摩擦的系統(tǒng)。該技術(shù)被稱為CleanTanX，用于處理儲(chǔ)罐、漏斗和料斗的表面，防止材料粘在側(cè)面。該系統(tǒng)可以減少高達(dá)99%的材料浪費(fèi)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;這可能真的會(huì)改變游戲規(guī)則。它節(jié)省了浪費(fèi)的產(chǎn)品，減少了清洗罐產(chǎn)生的廢水，并有助于使制造過(guò)程零浪費(fèi)。&rdquo;LiquiGlide董事長(zhǎng)瓦拉納西說(shuō)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>LiquiGlide的工作原理是在容器表面創(chuàng)建一種由紋理固體和液體潤(rùn)滑劑制成的涂層。當(dāng)應(yīng)用到容器時(shí)，潤(rùn)滑劑仍然注入到紋理中。毛細(xì)管力穩(wěn)定并允許液體在表面擴(kuò)散，形成一個(gè)持續(xù)潤(rùn)滑的表面，任何粘性物質(zhì)都可以向下滑動(dòng)。該公司使用熱力學(xué)算法來(lái)確定安全固體和液體的組合，這取決于產(chǎn)品，無(wú)論是牙膏還是油漆。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該公司已經(jīng)建立了一個(gè)機(jī)器人噴涂系統(tǒng)，可以在現(xiàn)場(chǎng)制造工廠處理大型桶和罐。除了為公司節(jié)省數(shù)百萬(wàn)美元的產(chǎn)品浪費(fèi)外，LiquiGlide還大大減少了定期清潔這些容器所需的水量，這些容器通常會(huì)將產(chǎn)品粘在邊上。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;通常情況下，當(dāng)你把水箱里的所有東西都清空后，仍然會(huì)有殘留物需要用大量的水清洗。例如，在農(nóng)用化學(xué)品領(lǐng)域，對(duì)于如何處理產(chǎn)生的有毒廢水有嚴(yán)格的規(guī)定。所有這些都可以用LiquiGlide消除。&rdquo;Varanasi說(shuō)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>盡管在大流行早期關(guān)閉了許多生產(chǎn)設(shè)施，減緩了清潔x試點(diǎn)在工廠的推廣，但最近幾個(gè)月情況有所好轉(zhuǎn)。隨著全球和國(guó)內(nèi)制造業(yè)的增長(zhǎng)，Varanasi看到了對(duì)LiquiGlide技術(shù)的需求不斷增長(zhǎng)，特別是對(duì)半導(dǎo)體漿液等液體的需求。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Gradiant、Via Separations、VulcanForms和LiquiGlide等公司證明，制造業(yè)的擴(kuò)張并不需要以高昂的環(huán)境成本為代價(jià)。以可持續(xù)的方式擴(kuò)大制造業(yè)規(guī)模是可能的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;作為機(jī)械工程師，制造業(yè)一直是我們工作的支柱。&rdquo;福特工程教授、機(jī)械工程系前系主任汪伊芙琳(Evelyn Wang)說(shuō):&ldquo;尤其是在麻省理工學(xué)院，總是有一種推動(dòng)制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力。&rdquo;&ldquo;看到我們部門的初創(chuàng)公司如何關(guān)注制造過(guò)程的各個(gè)方面，并找出如何改善我們星球的健康，這很令人驚訝。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>隨著《芯片法案》和《科學(xué)法案》等立法推動(dòng)制造業(yè)的增長(zhǎng)，對(duì)初創(chuàng)公司和公司的需求將會(huì)增加，這些公司將開(kāi)發(fā)出減輕環(huán)境影響的解決方案，使我們更接近一個(gè)更可持續(xù)的未來(lái)。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p> </blockquote>