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技术的进化

已有 825 次阅读 2024-1-27 09:09 |系统分类:观点评述

1.技术之知与智

知之为知之,不知为不知,是知也。工程师知道的技术太多,又知之甚少。

机械工程师知道齿轮、螺栓、轴承的设计;土木工程师知道梁、柱、板、壳的力学行为;电气工程师知道电路原理;软件工程师知道若干种计算机语言;金属材料工程师知道铁碳相图;化学工程师知道催化剂的作用……

然而,就一般意义上,技术的本质是什么?技术是如何进化的?进化的驱动力是什么?什么障碍技术创新?为什么天才发明家达芬奇的大量构想停留在草稿上,鲜有转化为现实?为什么众多“天空征服者”只有莱特兄弟成功飞上蓝天?这些问题,我们知道的又太少。

如果了解一点技术的历史、一点技术进化的规律、一点关于技术的“哲学”,我们就能站在更大规模的时间和空间思考问题、看清目前所处的位置及未来的方向,解决实际问题,推动技术创新,不必为一时的挫折成败而焦虑,坚持长期主义,此谓智也。

2.犁的进化

大约一万年前,人类驯化了动植物,过上了定居生活,进入农业时代,几千年的农业社会,技术进化主要体现在农具和灌溉系统的发明和改进上。

在所有高级文明中,农业耕作的第一步是犁地,正如中国一本经典论著说的,任何国家的国王或统治者都不能抛弃它。犁最早出现在公元前4000年左右的美素不达米亚地区,那不过是一根带手柄的尖木棒,随着冶金技术的发展,在尖木棒上套上金属尖端,这说明技术是组合进化的,一种技术与另一种技术组合进化出第三种技术,通常有1+12的效果。金属尖端几个世纪以来都保持对称结构,犁地时,只能在土地上开辟一条浅沟,并在地面留下被切割的杂草,直到公元前1个世纪中国人(时称汉人)才在金属尖端后面加上一块弯曲的金属板,即犁铧,这又一次说明技术的组合进化。犁铧将犁过的土翻向一侧,将杂草掩埋,极大提高了土地的肥力和通气性,真是科学技术是第一生产力(我从12岁到27岁,犁田耙地15年,比毕业后参加工作时间还长,对犁耙技术非常熟悉)。

从美素不达米亚地区发明的原始犁,到金属尖端与犁铧的组合花了3000多年,和犁一样,所有原始技术进化都很缓慢,直到近代蒸汽机的普及才开始加速。正如法国历史学家布罗代尔在其文明史著作中总结说的:“蒸汽一旦得以利用,西方世界的一切就如同被施了魔法一般加速运转起来。”

3.近代发明的洪流

近代欧美国家有一个独特的阶层,他们投身于技术发明,实现梦想。《世界上最强大的思想,蒸汽机、产业革命和创新的故事》一书写道:虽然大多数发明都要失败,但在通过发明实现经济利益的驱动下,失败阻止不了发明者的涓涓细流,最终汇聚为滚滚洪流的大趋势,洪流终将找到通往布鲁克号蒸汽机、火箭号铁路机车、飞行者一号飞机的道路。

形成鲜明对比的是,中国近代缺乏资本主义经济刺激,人们的梦想只有苦读儒家经典,通过科举考试,在官场谋个一官半职才能实现。正如赵恒在其《劝学诗》勉励人们的那样:娶妻莫恨无良媒,书中自有颜如玉;男儿欲遂平生志,五经勤向窗前读。少数对技术感兴趣的人掀不起大浪,17世纪江西籍官员宋应星撰写的工艺百科全书《天工开物》,记载了明朝中叶以前中国古代各项技术,宋应星对撰写此书感到愧疚,并将自己写书的动机归为任性,他无奈地写道:盖大业文人,弃掷案头,此书于功名进取,毫不相关也。

像鸟儿一样自由飞翔是人类很早就有的梦想,文艺复兴时期,飞行由梦想变成理性研究,近代第一代“天空征服者”以文艺复兴时期意大利的天才发明家达芬奇为代表。达芬奇研究鸟类飞行后,写出了航空事业的开山之作《论鸟的飞行》,人们开始在手臂上绑上扇蒲,模仿鸟类振翅飞行,结果没有一人能够振翅高飞。

17世纪意大利科学家博雷利(Borelli)从生物力学角度,研究了骨骼、肌肉和飞行的关系,指出人类没有鸟类那样轻质的骨骼、发达的胸肌、流线型的身体,因此人类不可能像鸟那样扑翅飞行。博雷利估算得出,一个60kg的人要想通过自身扑翅飞行,至少要2米宽的发达胸肌,博雷利的理论宣告所有模仿鸟类飞行的努力都不可能成功。

发明创造需要了解技术的约束条件、边界条件、极限在哪里,根据贝茨定律,风电效率不可能超过59.3%,能量守恒定律和热力学定律已提出一个半世纪,今天仍有人相信水驱动大巴。

第二代“天空征服者”以英国空气动力学家凯利为代表,凯利发现空气流过不同形状的翼面时压力不同,提出通过固定机翼(而非振翼)提供飞行升力的设想。凯利不只是理论家,也是实践者,凯利制造出多款滑翔机,他制造的一款三翼滑翔机载着10岁的小孩实现滑翔飞行,4年后,制造的另一款滑翔机成功地让一位成年人实现飞行,这款滑翔机的设计和实验他写成了论文《改良型有舵滑翔机》。但是凯利时代没有轻便的发动机,凯利无法实现自带动力飞行,勇者无畏,他自己投入精力研制发动机,直到82岁生命快到尽头时仍没有成功。所幸的是,凯利对自己的研究工作做了详细记录,特别是留下了宝贵的论文《论空中航行》,论文中凯利指出,升力和推进应该分开研究,各个解决,用不同的装置实现不同的功能。

凯利之后,第三代“天空征服者”以德国工程师李林塔尔为代表,他自幼向往自由,在凯利的基础上,李林塔尔实现了自带动力飞行。李林塔尔理论研究不多,是个行动派,他先后共制造了18款滑翔机,做了2500次飞行试验,是名副其实的“空中飞人”,不幸的是,他一次驾驶着滑翔机在空中遇到大风,滑翔机失去控制,从15米空中摔下来,第二天就在医院去世,临终时说:“要想学会飞行,就要做出牺牲。”

从达芬奇到李林塔尔,历时四百年,无数“天空征服者”投入飞行器的研发。研发飞行器除了要负担经济和时间成本外,还要面对不光彩的失败,更有死亡的风险。那些想成为天空征服者的人,以及他们奇怪或幼稚的飞行器,早已成为大众的笑料。1890年代,《旧金山纪事报》在飞行器的主题报道中称,飞行怪人随着年龄的增长,会变得越来越愚蠢,越来越顽固,甚至到了低能的程度。他们越来越狂热,想法越来越奇特,飞行器的新奇构想如洪水般涌入美国专利局,有一种名叫“aerostat”(意为轻型航空器)的像鱼一样的大型飞行器,《华盛顿邮报》这样写道:主体由一对机翼支撑,翼展和主体的长度相当,机翼倾角由一个操纵轮控制,这样飞行器在空中就可以自由上升下降。动力来自机身后部的一系列爆炸反应:硝化甘油颗粒自动进入一个向后敞开的杯状容器中,然后用电来引爆。《华盛顿邮报》随后明确宣传:人类飞行梦是不可能实现的。

“飞行梦”没有实现,一首题为“达赖厄斯和他的飞行器”的喜剧诗却给人们带来了欢乐,这首诗的作者是英格兰作家特罗布里奇,在长达30年时间里,这首诗是人们聚会的热门话题,KTV常点的一曲:

……用顶针和线,

还有蜡、铁锤、搭扣和螺丝钉,

以及聪明人会用到的一切,

比如两只作为飞行器模板的蝙蝠,真是奇怪的东西!

一个木炭锅和一对风箱;

……一些电线和几把旧雨伞;

用马车的箱盖做成尾翼和机翼;

加上一件马具、背带和绳子……

除了这些,还有其它一百多件东西。

当达赖厄斯坐在自己的“成果”中,从仓库阁楼跃入空中时,结果只能坠毁,他的发明变成一堆“缠绕的绳子,断开的背带和折断的机翼,以及如流星般坠落的一切。”

这些都没有吓倒来自美国俄亥俄州代顿市的自行车制造商威尔伯·莱特和奥维尔·莱特,俗称莱特兄弟。他们没有制作飞行器的经验,没有赞助商,没有政府补贴,没有身居高位的朋友,自己的钱也不多,他们却有冷静的头脑,自幼养成的阅读习惯,威尔伯·莱特已非常确定,在没有知识和技能的情况下,飞行是不可能实现的,重要的是技巧,不是蛮干。莱特兄弟系统阅读了空气动力学方面当时能找得到的文献,向许多有经验的人请教,兄弟俩经常互相讨论,互相激发,关系和睦,他们一起吃饭,钱都存银行的共同账户中(难道他们的老婆也没有意见?)。

19031217日,莱特兄弟成功试飞自带动力,可人为操控的“飞行者一号”,人类的飞行梦终于实现了,这时许多人还说“不过又多了一位骗子而已。”

莱特兄弟的成功有许多原因。除了前面说的头脑冷静、注重阅读和交流、团队和睦外,还有很多方面。

首先,生而逢时。一个人能做成什么事,少不了时代的条件,如果比尔盖茨早出生20年,他不可能创立软件帝国;文革时,再有能力也只能挑大粪;各种配套技术、材料、工艺都不具备,市场需求也没有培育起来,达芬奇的大量天才构想停留在草稿上也就不足为奇了。莱特兄弟出生得足够晚,凯利的空气动力学理论和奥拓的内燃机已为他们做好了准备,他们又出生得足够早,毕竟飞机还没被发明出来,莱特兄弟刚好出生在黎明前的黑暗时期,之前的天空征服者出生在黄昏、人定、夜半,有限的生命熬不过漫漫长夜。

其次,方法得当。理论联系实际,既重视理论学习,也重视实验,既重视定性分析,又重视定量计算。他们自建了一个小型风洞,当然,和所有技术的早期版本一样,他们的风洞是很简陋的,一个长6英尺,宽16英寸的木箱由差不多齐腰高的四条腿支撑,一端开口,另一端安装一台风扇,由于他们的自行车店里没有通电,所以风扇只能靠一台噪声极大的汽油发动机驱动。兄弟俩用这套简陋的装置测试了约38种翼型,这是一个缓慢、枯燥、乏味、沉闷、耗体力的过程,但奥维尔·莱特在他的记录本中写道:“这些测试模型告诉我们该如何制造飞行器”。达芬奇的天才构想停留在草稿上还有一种可能是他更享受天马行空的构想,而不是行动。通过计算和测试,他们发现李林塔尔升力计算误差高达60%,这可能是李林塔尔坠毁的主要原因。通过估算他们还发现,李林塔尔5年时间里做了2500次飞行试验,这些数据虽然很吓人,但真正的飞行时间总共才5个小时,对飞行来说,5个小时远远不够,如果让一个只经过5小时自行车训练的人就骑车通过拥挤的城市,会怎么样呢?

再次,生性谨慎。他们会在必要的时候冒险,但不是鲁莽的杂技表演,他们永远不会那样做,不在实验室做足实验不敢轻易试飞,在早期试飞时,兄弟俩只有一人上飞机,以免坠毁后继无人。

还有一点很微妙的原因。莱特兄弟原本是做自行车生意的,可能从自行车中获得控制平衡的灵感,其他飞行器发明者都没有认识到控制平衡的重要性,更没有找到控制平衡的方法。在飞机的设计上,莱特兄弟的贡献主要是发明了控制机翼的操纵杆,其他部件都是组合别人的技术。

接下来5年,莱特兄弟一边改进飞机,一边到各地试飞(主要在美国和欧洲一些国家),一次次的试飞使莱特兄弟名声大噪,得到总统的接见。不幸的是,后来莱特兄弟陷入与竞争对手的专利之争,耗费大量时间和金钱打官司,荒废了飞机的改进,不出几年就被竞争对手超越,技术创新也如一句箴言说的,逆水行舟,不进则退。

飞机的发明是凯利的空气动力学、奥拓的发动机、莱特兄弟的操纵杆组合的结果,近代技术发明的洪流中,可见到大量组合进化的例子。

瓦特发明的冷凝器和离心调速器与纽科门发明的蒸汽机组合,蒸汽机才成为实用。奥拓的四冲程发动机以煤气为燃料,无法作为运输机械的原动机,戴姆勒改进了奥拓的发动机,用汽油替代煤气,汽油的能量密度是煤气的1600倍,且闪点低,这才使发动机易于启动。戴姆勒的汽油发动机、本茨的电子点火器和迈巴赫的化油器相组合,才为现代公路车辆提供实用的发动机,再与马车车厢组合,从而制造出汽油机驱动的车辆。四轮车厢一旦装上内燃机,世人皆为其速度感到震惊,但速度并没有给人们带来激情,反而是让人不适的颠簸,直到与螺旋弹簧这种不起眼的技术组合之后,驾驶才真正成为一种享受。

4.技术的复杂化

生物进化的总体趋势是从简单到复杂,越简单的生命出现得越早,越复杂的生命出现得越晚,技术进化也遵循这样的规律。一项技术的最初版本都是比较粗糙的,以身边可得的组件为基础,能满足基本的原理要求即可,比如莱特兄弟的风洞,又比如劳伦斯发明的最初版本的回旋加速器就只用了一把餐椅、一个衣架、玻璃窗、封蜡、还有一点黄铜,劳伦斯还因发明回旋加速器获得诺贝尔物理学奖。现在欧洲核子研究中心的回旋加速器周长27公里,其复杂程度绝非几个餐椅衣架封蜡所能比,但就最本质的原理层面,劳伦斯初版的回旋加速器跟欧洲核子研究中心的回旋加速器没有什么不同。

飞机发动机的进化是技术复杂化一个很好的例子,莱特兄弟的“飞行者一号”用的是活塞式发动机,这种发动机无法在高空稀薄空气环境中使用,加上活塞式发动机功率密度较低,不适合远程飞行。现代轴流式喷气发动机是在莱特兄弟发明“飞行者一号”后20多年,由惠特尔和奥海因分别独立发明的,其基本原理是:吸入空气,压缩机压缩空气,压缩空气燃烧,燃烧气体高速喷出,根据牛顿第三定律,高速喷出的气体产生反作用力,推动飞机前进。喷气发动机发明至今快一个世纪了,这套原理基本没有改变,但现在的喷气发动机比初版的复杂了太多,也先进了太多。

最初版本的喷气发动机空气压缩比最多只有1.2:1,为了提供更大的动力,设计师设计了多个压缩机,把他们串联起来,多级压缩,提高压缩比。这个压缩系统既要适应低空高密度的空气,又要适应高空低密度的空气,并且要适应不同的风速,所以增加了导叶系统来控制吸入的空气。反过来,要让导叶能根据环境调节,又得增加检测和操控系统,理想很丰满,现实很骨感,更高压缩比的压缩空气会以更强烈的冲击波对发动机产生损害,又得设计一套减缓冲击的装置,为防止叶片结冰,还得设置除冰组件,还有润滑系统、冷却系统、点火系统、火警系统等等因需要被加入进来,为了这些系统能可靠工作,又需要更多更精密的传感器,仪器仪表,控制等子系统,还有一大堆只有内行人才懂的东西。现代喷气发动机比惠特尔最初版本的动力提高了30-50倍,可靠性也大大提高了,这是不断加入子系统的结果,惠特尔1936年版本的发动机只有几百个零件,现代版本的发动机包含22000以上零件。进化过程除增加各种子系统外,材料和制造工艺的不断改进也是重要的一环。

许多技术的进化都遵循这种深化规律,即基本原理和主系统保持不变,不断添加子系统,不断优化各个系统的功能(包括主系统),汽车就是一个很好的例子。一百多年来,汽车由发动机、变速箱、底盘三大核心组件构成的基本面没有改变,子系统却越来越多。不能动尚不要紧,一旦动起来不能停则要人命,所以加上刹车系统,使用才发现,抱死车轮也不是安全的事(所以技术投入市场的反馈很重要),人们又琢磨出一种叫ABS的系统,还有车身稳定控制(ESP)、制动力分配(EBD)、刹车辅助(EBA)、牵引力控制(ASR)、安全带、安全带未系提醒、安全气囊、胎压监测、照明、后视镜,有了安全保障还要舒适,空调、座椅加热、音频娱乐、全景天窗……,数量之多,简直数不胜数。发动机、变速箱、底盘三大件本身也不断进化,发动机更省油更静音更可靠,变速箱档位越来越多,变档越来越平顺,手动挡变自动挡,底盘更加牢固更加轻便。

技术复杂化的过程是缓慢的,曲折的,既有技术的难题,也有非技术因素的障碍。

改进过程需要识别现有技术的问题,这很大程度上需要市场使用的反馈,技术被使用得越多,获得的经验就越多,被改进得也越多。实验室的技术不可能是成熟的技术,任何技术都不要等到成熟的时候才推向市场,宅在家的小孩永远不会成熟,三四岁就要送进学校,接受教育,接受老师的反馈,不能等到八十岁“成熟”的时候才送进学校,在技术领域,“成熟”意味着“老化”。

发现问题到找到解决方案(即使是理论上)有可能很快,也有可能很慢,找到解决方案还要对它进行论证,实验,论证和实验过程又会遇到很多问题,实验装置的搭建,数据采集分析,没有一样是一帆风顺的,加上人员分工合作利益分配等问题,在“有人的地方就有江湖”的生物法则里,会遇到无穷无尽技术之外的烦恼,让事情难以推进。

还有经费问题,如果技术发明不能带来经济收益,经费就会成为大问题,英国奥斯本写的《钢铁、蒸汽与资本:工业革命的起源》,资本是驱动近代技术快速进步的重要因素。

生物进化的总体趋势是从简单到复杂,也有相反的,从复杂到简单的进化历程,比如人体寄生虫进化过程中逐渐丢弃身体的感觉技能和消化机能,只专注于发展防御和生殖能力。对应技术的进化有两种由复杂到简单的形式,一种叫分工,也叫专业化,福特T型车时代,福特工厂从炼钢到种植橡树生产橡胶,什么都做,现在没有哪家公司这样做了,钢铁由钢铁公司去研究吧,要轮胎给轮胎公司下订单即可。另一种是技术的颠覆,当一种技术被无数人打磨改进,bug越来越少,越来越接近极限时,有可能会被另一种新的原理,更简单的技术(至少开始是这样)颠覆,之后颠覆性技术又踏上复杂化之路。柯达胶卷的化学工程师被尼康的电子信息工程师取代就是这种情况,液压挖掘机取代缆索挖掘机也是如此,现在电动汽车已在取代燃油车的路上,不过电动车也是组合了电池、电机、电控等现有的技术,是组合式的进化。纵观技术发展历史,与信息相关的技术容易被颠覆,与能量相关的技术不容易被颠覆。

5.创新的基本法则

创新法则之一:丰富的,有启发式的交流。进化生物学家韦恩斯坦著的《21世纪进化论》有一段生动的描述:“一天晚上,他们饥肠辘辘地围坐在篝火边,因为浆果的采摘季已经过去了,鹿也变得稀少,其中有一个人,不妨叫他贝姆,他曾不止一次看到熊捉鱼吃的场景,于是他向大家提出这样一个问题:我们为什么不考虑捕些鱼来吃呢?不过,贝姆对鱼的了解不多,这一方面,他的知识不如苏丰富,苏已在河边待很多天了,她一直在观察鱼,了解鱼的一举一动。只不过在此之前,苏从未告诉别人自己掌握了不少关于鱼的知识,而且她也不知道这种知识有什么作用。另一方面,苏也不如戈尔,戈尔有成为‘工程师’的潜能,在尝试结绳织网方面,戈尔又不如洛克……,当这些各自拥有独特才能和洞察力的人围坐在篝火旁,开始讨论一个共同的问题时,创新的火花迅速蔓延开来。”

社会生物学家爱德华威尔逊在他的《创造的本源》一书中表达了这样的观点:开启人类文明的,正是早期营地中夜晚时分的篝火,火不只是散发出能量,也有利于人与人之间的沟通交流,分享知识经验,火开启了创新的契机。

现代人不可能围着篝火交流了,代之以白板。如果到一家公司去,看到研发场所有没白板,或者有白板没有书写的痕迹,工程师面容严肃,办公室鸦雀无声,开会只有领导说话,这样的团队创新能力很值得怀疑。没有白板,沟通很难深入,员工不经常交流,思想观念就不会杂交碰撞。有创新能力的团队应该像《无畏的组织:构建心理安全空间》一书描述的那样,员工感到心理安全,敢于提出见解,尝试新方案,不会因为大胆尝试没有成功受到惩罚。

有启发式的交流需要团队知识和能力的多样化、开放的心态、平和的心境、包容的文化,而不是死死捍卫自己的观点,赢得辩论。

创新法则之二:技术之“汤”要有足够的浓度。凯文凯利上个世纪九十年代出过一本700多页的大部头,叫《失控》,据说“微信之父”,腾讯的张小龙对这本书爱不释手,前来应聘的大学生只要读完这本书就录用。书中第二十章写道:“要获得卵,首先要有一个大‘池’子,‘池’中有各种不同的介质,它们可以是各种各样的蛋白质碎片,也可以是计算机代码片断,如果让它们在足够长的时间里相互作用,就会形成一种产物产生另一种产物的小闭环。最终,如果时间和空间允许的话,系统中由这些局部闭环形成的网络会蔓延开来,直至每个环路都融入其他环路,形成规模更大的并且相互关联的网络,……,考夫曼声称,生命就是在这种聚合体作用于聚合体形成新的聚合体的‘汤’中开始的,……,聚合物越多,由一个聚合体触发另一个聚合体的相互作用就会呈指数级增长,当达到一定的临界值,系统瞬间形成一个自生成、自支持、自转化的化学网络,只要有能量输入,网络就会处于活跃状态,不会垮掉。”

由前述可知,技术的进化是组合的进化,一种简单的技术遇到另一种简单的技术,只要它们匹配,互相需要,就会组合成更加复杂更先进的技术,新技术来自对已有技术的组合。团队中研发的技术碎片越多,哪怕每个技术碎片多么微不足道,它们“邂逅”的可能性越大,技术之“汤”的浓度越高,创新的概率越大。

创新法则之三:小步尝试,快速迭代吧!不要做既长远又周密的计划。西点军校行为科学与领导学系负责人科蒂茨上校说:“我们一旦与敌方交手,一切计划都完蛋,很多战争败北的原因就是事先将大量精力集中在计划上,但开战10分钟后计划就毫无用处。” 科蒂茨上校还指出:“随着时间推移,我们慢慢才能理解如何在复杂行动中制胜,计划固然有用,但用处仅限于反映我们的确有过计划。”

技术创新上,确定基本方向即可,具体怎么走,会遇到什么问题,只有出发后才知道。制定计划总比动手试验容易,管理的魅力在于,它貌似让一切看起来有章可依,不过,当优秀员工都不愿意尝试的时候,管理确实就发挥作用了。



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