波音787 夢幻客機(jī)研制的“秘密”

波音787的問世讓業(yè)內(nèi)人士又驚又羨，同時引出一個問題：“他們是如何做到的?”美國白宮科技政策辦公室助理主任賽勒斯· 瓦迪亞呼吁采取開放協(xié)作模式，加快先進(jìn)材料的研發(fā)和商用速度。

作者賽勒斯· 瓦迪亞(Cyrus Wadia)是美國白宮科技政策辦公室負(fù)責(zé)清潔能源與材料研發(fā)的助理主任。

波音787(夢幻客機(jī))的問世讓業(yè)內(nèi)人士又驚又羨，同時引出一個問題：“他們是如何做到的?”787 的燃油效率比此前的同類飛機(jī)提高了20%。它不僅擁有更為寬敞的客艙，而且，只需動一個按鈕就能讓機(jī)窗變暗。如果要把這些東西都解釋清楚可能會比較復(fù)雜，但是首要一點則很簡單：787 采用了先進(jìn)的材料，機(jī)體和機(jī)翼都采用了碳纖維復(fù)合材料，能夠大幅提升燃油效率，而機(jī)窗則加入了導(dǎo)電變色的凝膠材料。

一種新材料在被發(fā)現(xiàn)以后，需要大約20 年或更多的時間才能被應(yīng)用到商業(yè)產(chǎn)品上，大多數(shù)人并沒有意識到這一點。例如，鋰離子電池的概念是在20 世紀(jì)70 年代中期提出的，但一直到20 世紀(jì)90 年代末才開始得到廣泛應(yīng)用。此外，超導(dǎo)體、太陽能光伏發(fā)電和固態(tài)照明等新技術(shù)的商用也都基本經(jīng)歷了類似的時間段，而這對于許多國家亟待解決的問題來說顯然是太長了。

新材料在被發(fā)現(xiàn)之后，目前把它引入市場的最佳辦法就是按步驟進(jìn)行一系列的重復(fù)實驗，每一個步驟都有不同的目的，比如性能優(yōu)化或程序改進(jìn)。工程師們必須能夠熟悉幾十種電力、化工和機(jī)械方面的性能。一些預(yù)測性的軟件模型可以對實驗進(jìn)行補(bǔ)充，甚至在某些情況下可以取代那些比較費(fèi)時間的實驗，不過類似的工具是比較匱乏的。更糟的是，專利制度和研究團(tuán)體的分裂限制了知識、數(shù)據(jù)和工具的共享。這些現(xiàn)狀直接導(dǎo)致一些好的發(fā)明創(chuàng)造遭到雪藏，商用周期也被大大延長。

在波音787 夢幻客機(jī)的研制過程中，波音公司意識到材料的發(fā)展并不需要遵循線性規(guī)律。為此，公司將其跨國供應(yīng)鏈整合到了一個獨(dú)立的虛擬設(shè)計平臺上，在日本進(jìn)行的設(shè)計修改馬上就會呈現(xiàn)在美國的合作伙伴面前。在最終的方案敲定之前，一支全球性的設(shè)計團(tuán)隊提供了數(shù)千種設(shè)計方案。這種網(wǎng)絡(luò)化的協(xié)作方式將徹底改變并大大加快這個過程。

首架波音787夢想飛機(jī)于2011年9月被交付給全日空。中國南方航空公司訂購了10架波音787，其中首架噴漆工作預(yù)計在2012年8月完成。 圖片來源：波音公司

去年，奧巴馬總統(tǒng)啟動了一項名為“ 材料基因組計劃(Materials GenomeInitiative)”的宏偉計劃，旨在幫助美國的材料界采用類似于波音的做法，然而，雖然聯(lián)邦政府鼓勵這種改進(jìn)，但想把這種愿景融入到工作之中仍取決于科學(xué)家自身。

過去二十年中，納米技術(shù)的不斷發(fā)展讓我們得以合成并制作出納米級的新材料。在納米層級上，材料的性能表現(xiàn)都是可以控制的。如今我們還需要建立配套的國家級的計算、實驗和數(shù)據(jù)分析設(shè)施，為新材料的研究提供支持，同時結(jié)合更為開放的協(xié)作模式，來加快新材料的研發(fā)和商用速度。