10.5 闭环制造

在机械群落里,或者说机械生态系统里,某些机器好像更愿意和另一些机器联合在一起,就像红翅膀的黑鸟喜欢在有香蒲的湿地筑巢一样。泵与管相配;暖炉与空调相配;开关和导线相配。

机器组合成食物网。从抽象意义上说,一部机器「捕食」另一部机器:一部机器的输入是另一部机器的输出。钢厂吞吃铁矿采掘机的流涎。而由它挤压成型的钢则被制造汽车的机器吃掉,然后变形为小汽车。当车子死亡后,就被废品堆放场的压碎机消化。压碎机反刍的铁渣后来被回收工厂吞食,而排泄出来以后,说不定就成了盖房顶的电镀铁板。

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假如你追踪一个铁粒子由地底挖出到送入工业食物链的过程,就能看到它循行的是一个纵横交错的回路。第一轮,这个粒子可能用在一辆雪弗兰上;第二轮,它可能登陆某个台湾产的船壳;第三轮它或许又定型于某段铁轨;第四轮可能又上了一条船。每一种原料都在这样一个网络内徜徉。糖,硫磺酸,钻石,油料,各循不同的回路,在各循各的网络途中接触各种各样的机器,甚至可能再度还原为其作为元素的基本形式。

生产原料从机器到机器的、缠绕在一起的流动可以看作是一个联网的群落——一个工业生态。像所有生命系统那样,这个交织在一起的人造生态系统会扩张,会绕过阻碍物,会适应逆境。从一种合适的角度来看的话,一个强壮的工业生态系统是生物圈自然生态系的延伸。木纤维碎片从树变成木片再变成报纸,然后从纸张变成树的肥料,纤维轻易地在自然和工业生态圈间溜进溜出,而这两个生态圈又同属于一个更大的、全球性的元系统。材料从生物圈流转到人工圈,然后再回归到自然和人造的大仿生生态中。

然而,人造工业所带有的杂草特性威胁到了支持着它的自然界,在倡导自然和鼓吹人工的人群间形成了对峙,双方都相信只有一方能够获胜。但是,在过去的几年里,一个有几分浪漫的观点——「机器的未来是生物」——渗入了科学,并将诗意转化为某种实用的东西。这个新观点断言:自然和工业都能取得胜利。借助有机机器系统这个比喻,工业家们以及(有些不情愿的)环保主义者们就可以勾勒出制造业怎样才能像生物系统那样自己收拾自己的烂摊子。例如,自然界没有垃圾问题,因为物尽其用。效法诸如此类的生物准则,工业就能与其周边的有机界更加兼容。

直到不久前,对那些孤立、僵化的机器说,「像大自然一样从事」还是一条不可能执行的指令。但随着我们赋予机器、工厂和材料以自适应的能力、共同进化的动力以及全球性的联接,我们能够将制造环境转向工业生态,从而扭转工业征服自然的局面,形成工业与自然的合作。

哈丁·提布斯[1],一位英国工业设计师,在为如NASA空间站等大型工程项目提供咨询的过程中领悟到,机器是整体系统。制造外太空站或任何其他大型系统时,为确保其可靠性,需要始终关注各个机械子系统间相互作用、甚至是时有冲突的各种需求。在机器之间「求同存异」,使得工程师提布斯逐渐具有了全局观念。作为一名热心的环保人士,提布斯想一探究竟:这种全局机械观——即强调系统效率最大化的取向——能不能在工业界中得以普遍应用,以解决工业自身排放的污染。提布斯表示,这个想法,就是「将自然环境的模式作为解决环境问题的模板」。他和他的工程师伙伴们称之为「工业生态」。

1989年,罗伯特·福罗什[2]发表在《科学美国人》上的一篇文章使得「工业生态」这个概念又「复活」了。福罗什掌管着通用汽车的研究实验室,并曾担任过NASA的负责人,他给这个新鲜的概念定义道:「在工业生态系统中,能源、材料得到最充分有效的利用,废物产出量降到最低,而一道工序的排出物……成为下一道工序的原料。工业生态系统的运作恰恰类似于一个生物生态系统。」

「工业生态」这个术语自二十世纪七十年代开始就已使用,当时这个术语被用来考量工作场所的健康和环境问题,「诸如工厂的粉尘里是否生有小虫子之类的话题」,提布斯说。福罗什和提布斯将工业生态的概念扩大,涵盖了机器网络以及由它形成的环境。在提布斯看来,其目标是「仿造自然系统的整体设计理念来塑造工业整体化设计」,以使「我们不仅能改进工业的效率,还能找到更令人满意的与自然接轨的途径。」于是工程师们大胆地劫持了这个将机器当作有机体的古老比喻,并将诗意带入到实践中。

「为分解而设计」是制造业的有机观念中最早孕育出来的理念之一。数十年来,易组装性成了制造业至高无上的考量因素。一个产品越容易装配,它的制造成本就越低。易维修、易处理这些因素却几乎完全被忽视。从生态学角度看,为分解而设计的产品既可以做到高效的处理或维修,也可以实现高效的组装。设计得最好的汽车,不仅仅开着顺心,造价低廉,而且一旦报废也应该很容易地分解开来成为通用的部件。技术人员们正致力于发明比胶或单向粘合剂更有效且可逆的粘合装置,以及像凯夫拉纤维[3]或模压聚碳酸酯[4]那样坚韧但更易再循环利用的材料。

通过要求制造商而非消费者担起处理废物的责任,刺激了发明这些东西的动机,将废物的担子推给了上游的厂家。德国最近通过一项法案,强制汽车厂商设计的汽车能够容易地分解成分门别类的零件。你可以买到一把新的电茶壶,它的特点是能够轻易分解成可回收的部件。铝罐都已设计成能回收的了。如果所有东西都能回收会怎样?在制造一部收音机、一双跑鞋或一张沙发的时候,你不得不考虑它尸体的归宿。你得与你的生态伙伴们合作——那些专吃你的机器排出物的家伙们——以确保有人负责处理你产品的尸体。每一种产品都要考虑到它自己制造的垃圾。

「我想,你尽可以将所有能想到的废物都看作是潜在的原材料。」提布斯说。「任何在当下没有用的材料,都可以通过设计从源头将它消除,这样就不会生产出那种材料了。我们已经大体上知道如何建成零污染的加工工序。之所以还没有这么做,是因为我们还没下定决心。这与其说是技术问题,倒不如说是决心问题。」

所有证据都显示,生态技术即使带不来令人震惊的利润,也会带来一定的成本收益。1975年以来,跨国公司3M在每单位产品污染降低50%的情况下节约了5亿美元。通过产品改型、生产工序改进(比如少用溶剂)、或仅仅是捕获「污染物」等手段,3M公司便借助其内部工业生态系统中所应用的技术创新而赚到了钱。

提布斯给我讲了另外一个自我受益的内部生态系统例子:「马萨诸塞州有一家金属抛光厂多年来不断向当地的水道排放重金属溶剂。环保人士每年都在提高水纯净度门槛,直到不能再提高。这家工厂要么停工并将电镀生产迁走,要么建造一座非常昂贵的顶尖的全方位水处理厂。然而抛光厂方采取了更彻底的措施——他们发明了一个完全闭环的系统。这个系统在电镀业是前所未有的。」

在一个闭环系统中,同样的材料被一次又一次地循环利用,就像在生物圈二号或太空舱里那样。在实际中,多多少少会有些物质渗入或漏出工业系统,但总体说来,大多数物质都在一个「闭合回路」里面循环。马萨诸塞州那家电镀公司的创新是将加工工序所需的大量水和有害溶剂回收,并且全部在厂墙范围内循环使用。经过革新的系统其污染输出降至为零,并在两年内见到了收益。提布斯说:「如果由水处理厂来处理污水的话,要花五十万美金,而他们新颖的闭环系统只花费了约二十五万美金。另外,因为不再需要每星期五十万加仑的耗水量,他们还省下了水费。对金属的回收使得化学品的用量也降低了。与此同时,他们的产品质量也得到改进,因为他们的水过滤系统非常之好,再生的水比以前外购的本地水还要干净。」

闭环制造是活体植物细胞内自然闭环生产的映射——细胞内的大量物质在非生长期间进行内循环。电镀工厂中的零污染闭环设计原则可以应用于一个工业园或整个工业区,从全球化的观念去看,甚至可以覆盖整个人类活动网络。在这个大循环里任何东西都不会丢弃,因为根本没有「丢弃」一说。最终,所有的机器、工厂以及人类的种种机构都成为一个更大的全球范围的仿生系统的成员。

提布斯可以举出一个已在进行中的原型。哥本哈根往西八十英里,当地的丹麦企业已经孕育了一个工业生态系统的雏形。十多家企业以开环形式合作处理邻近厂家的「废料」,在他们相互学习如何再利用彼此的排出物的同时,这个开环逐步「收口」。一个燃煤发电厂向一个炼油厂提供蒸汽轮机产生的废热(以前此废热排放至一个附近的峡湾)。炼油厂从其精炼工序中所释放的气体中去除污染成份硫,并将气体提供给发电厂作燃料,发电厂每年可以省煤三万吨。清除出来的硫卖给附近一家硫酸厂。发电厂也将煤烟中的污染物提取出来,形成硫酸钙供石棉水泥板公司作为石膏的替代品。煤烟中清出的粉尘则送往水泥厂。发电厂其他多余的蒸汽用来给一家生物制药厂还有三千五百个家庭以及一个海水鳟鱼养殖场提供暖气。来自渔场的营养丰富的淤泥和来自药厂的发酵料用来给本地农场作肥料。或许在不久的将来,园艺温室也会由发电厂的废热来保温。

实事求是地说,无论制造业的闭环如何高明,总有一星半点儿的能量或没用的物质作为废料进入生物圈。这无可避免的扩散所带来的影响能够被生物界吸收,前提是制造出这些扩散的机械系统必须运行在自然系统所能承受的节奏和范围内。活体生物如水浮莲,能够将稀释在水里的杂质浓缩成为具有经济价值的浓缩物。套用二十世纪九十年代的话,如果工业与自然完美衔接的话,生物有机体足以能承载工业生态系统所产生的极少量的废物。

这种情景发展到极致的话,在我们的世界中就会充斥着高度变化的物质流,以及分散的、稀释的可回收物质。自然界擅长于处理分散和稀释的东西,而人工却不行。一座价值数百万美元的再生纸厂需要持续不断的、质量稳定的旧报纸供应。假如某天因为人们不再捆绑他们的旧报纸而造成纸厂停产,这样的损失是无法承受的。那种为回收资源建造庞大储藏中心的惯用方案使得原本就不丰厚的利润消耗殆尽。工业生态必须发展为网络化的及时生产系统[5],动态地平衡物质流量,使本地多余或短缺的物质得以穿梭配送,进而最小化应变库存。越来越多由网络驱动的「灵活工厂」能够采用可适应的机制,生产更多品种的产品(但每种产品的数量却较少),从而来处理质量变化幅度更大的资源。

哈丁·提布斯(Hardin Tibbs):活跃于澳、欧、美三大陆的管理顾问,期货研究员。他是一位内行的策略分析师,具有产品研发及可视通讯设计方面的背景。

罗伯特·福罗什(Robert Frosch, 1928.05.22~):美国科学家,哥伦比亚大学理论物理硕士,出生于纽约。1977年至1981年间在卡特总统任内担任NASA第五任行政官。担任过联合国环境规划署执行主席。

凯夫拉纤维:是美国杜邦公司与上世纪60年代研制出来的一种新型复合材料,具有密度低、强度高、韧性好、耐高温、易于加工和成型的特点,常被用在防弹衣和坦克的防护装甲上。

聚碳酸酯:是日常常见的一种材料,由于其抗冲击性好,且无色透明,常被用来生产光碟、眼镜片、防弹玻璃等。

及时生产系统(Just-In-Time System或JIT System):是日本丰田汽车厂提出的一种生产体系模式,属于拉动式系统(Pull System)。在传统的推动式系统(Push System)中,根据市场预测制定生产计划,采购原料,安排生产,产品送入库存,再由库存来推动销售。而在拉动式系统中,由客户订单拉动生产,再拉动原料和配件采购,从而实现零库存。