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也就是说，物理世界的生态系统也适合新兴的生态系统模型，但其加速增长的速度比领先的数字生态系统慢，这一点与“数制”工坊一样。有一个很好的例子——“FIRST机器人”，一个国际高中机器人竞赛。FIRST公司由发明家狄恩·卡门于1989年创立，旨在“创造一个科学和技术享有盛誉的世界……年轻人成为科技英雄”。FIRST已经吸引了30多万名初中生和高中生，并拥有9万多名志愿者。卡门是一位富有远见的创始人，而且分布式的志愿者网络确实是生态系统中被授权和授权的中间层和力量倍增器。FIRST机器人最让人印象深刻的事情之一，就是将优秀的专业团队和合作竞争文化渗透到整个分布式生态系统中。这个优秀的专业理念来自麻省理工学院工程学荣誉教授伍迪·弗劳尔斯。弗劳尔斯帮助卡门建立了FIRST生态系统，现在担任该组织的顾问。任何参加过最近一次FIRST比赛（整个体育场馆都被坐满）的人都知道，社区已经成功地在整个生态系统中注入了一种合作和尊重文化的竞争环境。

因此，一个关键问题是，数制生态系统能否通过数字和物理元素的混合发展成一个具有全球变革性的生态系统。第二个问题是，这样一个新兴的生态系统能否真正为更加自给自足、相互联系和可持续的世界奠定基础。通过精心设计的制造平台、工具和实践的融合，我们现在可以对全球分布式的网络授权，使每个人都具有一致的兴趣和共同的目标。有灵感的路径创建者现在不仅可以设计创新的社会模型和经济模型，还可以通过具有全球变革性的生态系统传播这些模型。但是，在社会系统能够通过技术的加速而真正发展之前，我们首先需要更深入地了解预计的技术路线图，这是第5章的主题。

（本章由艾伦、乔尔撰写）

[1] 又译为《科学怪人》。——编者注

[2] 由克劳德·香农提出，是运用概率论与数理统计的方法研究信息、信息熵、通信系统、数据传输、密码学、数据压缩等问题的应用数学学科。信息系统就是广义的通信系统，泛指某种信息从一处传送到另一处所需的全部设备构成的系统。——译者注

[3] 对美国反主流文化影响最深的期刊，《全球概览》的内容包含各种各样的书籍、机械装置和户外休闲用具，它给读者提供的是产品、意见和视觉设计的混搭组合：家用的纺织套件、陶匠用的旋轮与关于塑料的科学报道相互碰撞，竹笛和介绍电子合成音乐的书被放在一起。——译者注

[4] 美国发明家，瑞典人和挪威人后裔。恩格尔巴特在斯坦福研究院，也就是今天的斯坦福国际咨询研究所任职期间，共获得了21项发明专利。最著名的就是鼠标的专利。——译者注

[5] 《未来的冲击》是托夫勒奠定声名之作，本书的出版也标志着未来学进入美国文化的主流领域。——译者注

[6] 1英里≈1.609千米。——编者注

[7] K–12教育：美国基础教育的统称。“K”代表kindergarten（幼儿园），“12”代表十二年级（相当于我国的高三）。K–12是指从幼儿园到十二年级的教育，即美国公立学校的义务教育。——编者注

[8] 拉尔夫·赛瑟罗恩，美国气候学家。他在大气化学、气候变化和能源问题上的研究使得他在制定科学和环境政策方面处在极高水平。——译者注

[9] 杰里米·边沁是英国的法理学家、功利主义哲学家、经济学家和社会改革者。他对社会福利制度的发展有重大的贡献。——译者注

第5章原子与比特的进化路线图

探究数字制造对未来的影响一直是科幻小说的热门主题，尽管在小说中它并不总是被称为“数字制造”。在《星际迷航》中，复制器是一种能做出各种物品的方便设备，可以产生任何情节需要的故事元素，片中通常的情节是皮卡德船长又要点一杯热腾腾的伯爵红茶了。相比之下，系列电影《终结者》（Terminator）中的“T–1000”则略显不祥，这是最可怕的敌手——一个外形百变的液态金属人，可以变成任何人的样貌，即使其液滴被吹散，也会重新凝聚。复制器和可编程材料这些科幻发明描绘了第三次数字革命的终极目标，当然也希望“天网”的电影情节不会一语成谶。

为了实现这一技术愿景，我在2013年与白宫合作举办了一个研讨会，旨在研究数字革命路线图。活动针对的是几个联邦机构制订3D打印规划的需求。我感觉这些机构既没有掌握当前的数字制造技术现状，又没有洞察长远的制造科学发展趋势。该研讨会确定了4个阶段的内容：

·通过计算机控制制造东西的机器来制造（就像今天在“数制”工坊中所见到的那样）

·快速原型机器的快速原型制造（用“数制”工坊制造“数制”工坊）

·对数字材料的构造进行编码（将“数制”工坊中的所有机器合并到一个流程中）

·开发编程材料（实现机器和材料一体化）

这些阶段在拉斯定律的曲线轨迹中都有对应的节点：

第一阶段（也就是我们目前所处的阶段）结束的标志是“数制”工坊的数量与城市数量相当——全球几千个城市，平均每个城市都有一座“数制”工坊。

第二阶段，“数制”工坊的数量是现在的1 000倍：由现在的1 000个增加到100万个，这一数量相当于地球上各级地方政府的数量总和，我们可以将“数制”工坊广泛地提供给个人和组织使用。

第三阶段，“数制”工坊的数量又增加了大约1 000倍：从100万个增加到10亿个，这相当于地球上的人口数量的数量级。在第三阶段，“数制”工坊将如同电脑和手机一般，无处不在。这一阶段使我们超越个人制造，实现通用制造。

第四阶段产生了另一个“1 000倍”，从10亿个增加到1兆个。除了用来计算人口，10亿还是在原始地址（IPv4）用完之前可连接到互联网的计算机数量。以平均每个人拥有1 000件物品来估计，1兆就是与人交互的事物的总数或计算机连接的事物总数。到那时，数字制造能制造的就不再是任何一件物品了，而是万事万物。

拉斯定律最初是用来统计“数制”工坊的。这些“数制”工坊包含了创制（几乎）万物的核心技术能力：2D和3D的设计和扫描、增材制造和减材制造、电路的创建和连接、计算的嵌入和编程。随着工坊规模的扩展，我们不再按“数制”工坊的当前形态来进行统计，而是统计可进行实物创制及功能编程的等效能力。正在发生改变的是工坊的输入而非输出：今天的“数制”工坊依靠全球供应链来获取诸如集成电路、精密工具和聚合树脂等产品，随着时间的推移，产出将由下一代“数制”工坊通过对更加基础的模块进行组装来形成，从而脱离如今依赖大规模投资的模式。

有两种方法可以预测从第一阶段到第四阶段的转变需要的时间：比较保守的方法是假定拉斯定律仍然有效，数量倍增时间为一年半，那么工坊数量增加到原来的1 000倍大约需要15年。也就是说，就我们目前所处的水平来看，实现转变需要45年，这跟摩尔定律的运行轨迹是一致的。更为大胆的预测认为，所有4个阶段的技术在今天的“数制”工坊中都已经可以看到，推广起来只是个速度问题。我们无法回答哪一种预测会成为现实，不过我们可以浏览一下每个阶段的情况。

社区制作_：工具

数字制造路线图的第一阶段始于今天“数制”工坊中的工具。这一阶段属于未来——正如作者威廉·吉布森所言：“未来已来，只是尚未流行。”由于大部分人都没有去过“数制”工坊，因此了解路线图的第一步是了解它的起点。

切割

切割工具以二维空间中移动，从平板上切割零件。虽然这种方法听起来效用有限，但切割速度比其他工序要快得多。此外，切割工具可以处理其他工具无法处理的材料，而且被切出来的整套零件可以被快速组合成3D物体。

到目前为止，“数制”工坊最受欢迎的工具是激光切割机。它唯一的输入是电（切割原料除外），它唯一的输出是切割过程中产生的废气（切割出的部件除外）。在几分钟内，激光切割机就能绘制出像激光束一样精细的复杂形状，精确度达到千分之几英寸^[1]。价值1000美元的激光切割机可以切割薄木板、纸板和塑料；价值10 000美元的激光切割机可以切割更大、更厚的板材；价值10万美元的激光切割机有更大的机床，可以切割金属。

最通用但最不受欢迎的切割工具是电动刀，它通常被称为乙烯基刀，因为它最常见的用途是为标签或贴纸切割乙烯基字。但这些工具也可以剪掉丝网印刷用的掩模，刻划折纸痕迹，添加剪纸切口，以及在导体中绘制柔性的电路和天线。最大的工具可以处理大型纸板，以切割和折叠陈列箱和家具。

这些工具中最强大的是水射流切割机。它射出一股澄清的超音速水射流，水中携带石榴石磨粒，这些微粒具有极快的移动速度，可以穿透任何东西——厚钢、玻璃、陶瓷、石头。凭借这种多功能性，水射流切割机正在接管其他更专业的工具的工作。缺点是，它需要提供稳定的磨料流，因此会产生同样稳定的废物流。

最后一组切割工具使用的是金属丝。有一种金属丝是加热型的，可以将泡沫一样的材料熔穿。在电火花加工过程中，细金属丝通电，产生微小的火花，腐蚀最坚硬金属中的深切口。因此，电火花加工是制造机器所需的精密零件的首选。

铣削

铣床是在三个而不是两个维度上移动、旋转、切割的刀具，更高级的铣床还可以倾斜刀具或工件，同时控制四个轴或五个轴。这些铣床中有小的台式机器，还有一间房那么大的大型机器。这些机器的加工范围可大可小，小到电脑桌，大到房屋。它们相应的切割扭矩也由工具的大小——小到小型手摇钻，大到大型发动机——来决定。

铣床既嘈杂又凌乱。切削过程很嘈杂，驱动它的电机很响。被切开的材料会像碎片一样飞走，必须想办法收集和处理：根据被切割的材料，在铣床上喷洒润滑剂。铣床需要各种各样的辅助工具，这些工具需要定期更换。

但作为回报，铣床可以使硬质材料表面光滑，具有精确性。这就是为什么它们是制造汽车和飞机部件、高端笔记本电脑外壳，定制家具和其他生产过程的首选工具。体积更小、精度更高的铣床可用于切割电路板上的痕迹和制作铸造零件的模具等工作。

打印

3D打印机存放材料而不是移除材料。增材制造与减材制造有两个重要的区别：为了制作一个球窝接头，铣床必须切割出球，然后是球窝的半球，且球窝的半球必须围绕球进行组装。但由于3D打印机可以分层组装零件，所以它可以分辨物体的内部和外部，这样它就可以使球的套接一次到位。此外，它只能在零件的位置沉积材料，所以除了一些额外的用于建造支架的材料外，不会浪费其他材料。

首次3D打印是在1986年通过立体光刻技术完成的，这是一种通过激光束的扫描来选择性地固化聚合物液体层的过程。由于激光束尺寸决定了分辨率，立体光刻仍然被用于制造具有最精细特征和最光滑表面的零件。美中不足的是，产品在出来时是一团黏糊糊的、需要清洗的已固化和未固化的聚合物，并且其机械性能受限于光聚合物。第二种方法是在1989年开始使用的熔融沉积成型。打印机将一根聚合物长丝送入加热的喷嘴，挤出一个在生长部分固化的薄珠。这并不像激光束那么精细，但是这个过程现在可以使用更强的热塑性塑料，省去了很多麻烦。熔融沉积成型由于其易实现性，常见于入门级的价值几千美元的3D打印机。最新的一种方法是使用类似于喷墨打印机的打印机头，但它喷射的不是彩色墨水的液滴，而是沉积聚合物的液滴。就像喷墨打印机可以混合多种颜色一样，这些打印机可以混合多种材料。最昂贵的3D打印机用更强大的激光来选择性地烧结细粉层，这些打印机现在可以制造坚固的金属部件和坚硬的高温陶瓷部件。但这类打印机的缺点是它们非常复杂，耗资可能达100万美元，需要专门的房间和技术人员来运行。

虽然3D打印机擅长创建复杂的几何图形，但是嵌套的特征不能很好地表现出来，这些工具速度慢，通常需要几个小时甚至几天的时间才能制作出一些东西，而且打印机使用的材料比散状材料贵得多。其他工具可以更大、更快、更便宜或更强。这就是为什么当所有其他的数字制造工具都被广泛使用时，3D打印机只能用来做最适合它们的工作。在我经营的比特和原子中心的商店里，使用3D打印机的概率可能只有1/4。

扫描

与3D打印相反的是3D扫描，即通过物理对象创建数字模型。扫描的目的包括复制没有数字设计的对象、将物理对象雕刻作为设计工作流程的一部分、为计算机图形创建现实资产并保存有价值的构件。

最简单的3D扫描仪就是照相机。通过从多个方向拍摄的照片，摄影测量算法只需要用2D图像集就可以推出物体的3D几何图形。摄影测量不需要专门的设备，也没有地点限制，但可能会因为视觉伪像的干扰，只能对确切的形状进行近似的估计。更精确的扫描可以通过激光扫描仪来完成——激光扫描仪跟踪激光束在物体上的扫描位置，并通过结构光扫描器在物体上投射图形的方式来实现精确扫描的目的。

但是这些方法仍然存在视觉伪像的问题，例如，一个闪亮光滑的表面会反射探测器的光线。人为视觉效果可以被固定在一个“灯光舞台”上，“灯光舞台”可以同时照亮和收集来自各个方向的光线。“灯光舞台”不仅决定了几何图形的形状，还决定了计算机图形模型的所有光学特性，但是它需要更大、更精确的设备。最先进的3D扫描仪使用X射线来重建物体的内部和外部，在计算机断层扫描仪中从不同方向获取投影。最先进的扫描仪的价格也是最昂贵的，成本大概在100万美元左右。如果你能负担得起，那就太好了。