制造业度过了一个大夏天。今年8月签署的《芯片与科学法案》代表着对美国国内制造业的大规模投资。该法案旨在大幅扩大美国半导体产业，加强供应链，并投资于新的技术突破的研发。机械工程教授、麻省理工学院制造与生产力实验室主任约翰·哈特(John Hart)表示，CHIPS法案只是近年来人们对制造业兴趣显著增加的最新例证。

哈特说:“有多种力量共同发挥作用:疫情对供应链的影响、全球地缘政治局势，以及可持续性的紧迫性和重要性。”“这使政府、行业和投资界的激励措施保持一致，以加速制造业和工业技术的创新。”

随着对制造业的日益关注，我们需要优先考虑可持续性。

2020年，大约四分之一的温室气体排放来自工业和制造业。工厂和工厂也会耗尽当地的水资源储备，产生大量的废物，其中一些可能是有毒的。

为了解决这些问题并推动向低碳经济的过渡，必须在开发可持续制造技术的同时开发新产品和工业工艺。哈特认为机械工程师在这一转变中扮演着至关重要的角色。

“机械工程师可以独特地解决需要下一代硬件技术的关键问题，并知道如何将他们的解决方案规模化。”哈特说。

由麻省理工学院机械工程系的教师和校友创立的几家快速增长的公司为制造业的环境问题提供了解决方案，为更可持续的未来铺平了道路。

梯度:清洁技术水解决方案

制造业需要大量的水。一个中等规模的半导体制造工厂每天要消耗1000万加仑以上的水。在一个越来越受干旱困扰的世界里，这种对水的依赖构成了一个重大挑战。

Gradiant为这个水问题提供了一个解决方案。该公司由Anurag Bajpayee SM ' 08, PhD ' 12和Prakash Govindan PhD ' 12共同创立，是可持续或“清洁技术”水项目的先驱。

作为罗森诺肯德尔传热实验室的博士生，巴杰帕伊和戈文丹有着共同的实用主义和行动倾向。他们都从事海水淡化研究，Bajpayee和陈刚教授合作，Govindan和John Lienhard教授合作。

戈文丹在印度金奈度过了严重干旱的童年，受此启发，他在攻读博士学位时开发了一种模拟自然降雨周期的加湿-除湿技术。他们将这项技术命名为载气萃取(CGE)，并于2013年创立了Gradiant公司。

CGE的关键在于一种专有算法，该算法可以解释废水饲料中质量和数量的可变性。该算法的核心是一个无量纲数，戈文丹建议有朝一日将其命名为“林哈德数”(Lienhard number)，以他的博士导师命名。

“当系统中的水质发生变化时，我们的技术会自动向工厂内的电机发送信号，调整流速，使无量纲数恢复到1。一旦它恢复到1，你就处于最佳运行状态，”戈文丹解释道，他是Gradiant的首席运营官。

该系统可以处理和清洁制造工厂产生的废水进行再利用，最终每年节约数百万加仑的水。

随着公司的发展，Gradiant团队增加了新技术，包括选择性污染物提取，一种只去除特定污染物的经济高效的方法，以及一种称为逆流反渗透的盐水浓缩方法。他们现在为包括制药、能源、采矿、食品和饮料以及不断增长的半导体行业的客户提供水和废水处理解决方案的完整技术堆栈。

“我们是端到端的水解决方案提供商。我们拥有一系列专有技术，并将根据客户的需求从我们的“箭袋”中进行挑选。”现任Gradiant首席执行官的Bajpayee说。“客户将我们视为他们的水务合作伙伴。我们可以端到端解决他们的用水问题，这样他们就可以专注于自己的核心业务。”

Gradiant在过去10年经历了爆炸式增长。到目前为止，他们已经建成了450座水和废水处理厂，每天处理的水相当于500万户家庭的用水。最近的收购使他们的员工总数增加到500人以上。

Gradiant解决方案的多样性反映在他们的客户中，包括辉瑞、百威英博和可口可乐。他们的客户还包括美光科技、GlobalFoundries、英特尔和台积电等半导体巨头。

Bajpayee说:“在过去的几年里，我们真的发展了我们在半导体废水和半导体超纯水服务方面的能力和声誉。”

半导体制造商需要超纯水进行制造。饮用水的溶解固体总量为百万分之一，而用于制造微芯片的水的溶解固体总量为十亿分之一或千万亿分之一。

目前，新加坡半导体制造厂(晶圆厂)的平均回收率只有43%。利用Gradiant的技术，这些晶圆厂每天可以回收1000万加仑水中的98- 99%。这些重复使用的水足够纯净，可以重新投入生产过程。

Bajpayee补充说:“我们所做的就是消除这种污水的排放，几乎消除了半导体工厂对公共供水的依赖。”

随着新法规的出台，晶圆厂改善用水的压力越来越大，这使得可持续性对品牌所有者及其利益相关者更加重要。

随着国内半导体产业在CHIPS和科学法案的影响下不断扩张，Gradiant看到了将他们的半导体水处理技术带到美国更多工厂的机会。

通过分离:高效的化学过滤

像巴杰帕伊和戈文丹一样，Shreya Dave ' 09, SM ' 12，博士' 16专注于她的博士论文的海水淡化。在她的导师、材料科学与工程教授杰弗里·格罗斯曼(Jeffrey Grossman)的指导下，戴夫制造了一种可以更高效、更便宜地脱盐的薄膜。

经过彻底的成本和市场分析，戴夫得出结论，她开发的海水淡化膜不会商业化。

“目前的技术真的很擅长他们所做的事情。它们成本低，批量生产，而且很有效。我们的技术在市场上没有空间。”戴夫说。

在论文答辩后不久，她在《自然》杂志上读到了一篇评论文章，这篇文章改变了一切。这篇文章概括了一个问题。化学分离是许多制造过程的核心，需要大量的能源。工业需要更高效、更便宜的膜。戴夫觉得她可能有办法。

在确定有一个经济机会后，戴夫、格罗斯曼和布伦特·凯勒博士于2017年成立了Via Separations。此后不久，他们被选为首批获得麻省理工学院风险投资公司the Engine资助的公司之一。

目前，工业过滤是通过在非常高的温度下加热化学品来分离化合物。戴夫把它比作做意大利面，把所有的水都煮掉，直到蒸发，剩下的就只有意大利面了。在制造业中，这种化学分离方法是极其耗能和低效的。

Via Separations创造了化学上的“意大利面过滤器”。它们的膜“过滤”化学化合物，而不是利用热来分离。这种化学过滤方法比标准方法少用90%的能量。

虽然大多数膜是由聚合物制成的，但Via Separations的膜是由氧化石墨烯制成的，可以承受高温和恶劣的条件。通过改变孔隙大小和调整表面化学成分，膜可以根据客户的需求进行校准。

目前，戴夫和她的团队正专注于纸浆和造纸行业作为他们的滩头市场。他们开发了一种系统，使一种被称为“黑液”的物质的回收更加节能。

“当树木变成纸张时，只有三分之一的生物量被用于纸张。目前，剩余的三分之二不需要造纸的最有价值的用途是通过蒸发器将水煮沸，将水从相当稀的溪流变成相当浓的溪流。”戴夫说。

然后将这些黑液焚烧。产生的大部分能量被用来驱动过滤过程。

Dave补充道:“在美国，这种闭环系统消耗了大量的能源。我们可以通过在锅炉前放置‘面食过滤器’，使这一过程的效率提高84%。”

VulcanForms:工业规模的增材制造

约翰·哈特在麻省理工学院任教的第一个学期收获颇丰。他教授了一门关于3D打印的课程，即增材制造(AM)。虽然这不是他当时的主要研究重点，但他发现这个话题很吸引人。班里的许多学生也是如此，包括马丁·费尔德曼孟' 14。

在获得先进制造专业的学士学位后，费尔德曼全职加入了哈特的研究小组。在那里，他们因为对AM的共同兴趣而联系在一起。他们看到了利用现有的金属AM技术进行创新的机会，被称为激光粉末床融合，并提出了在工业规模上实现金属AM的概念。

两人于2015年共同创立了VulcanForms。

“我们已经为金属AM开发了一种机器架构，可以制造具有卓越质量和生产力的部件。”Hart说。“而且，我们已经将我们的机器集成到一个全数字化生产系统中，结合AM、后处理和精密加工。”

与其他公司出售3D打印机给别人生产零件不同，VulcanForms使用他们的工业机器为客户制造和销售零件。VulcanForms已经发展到近400名员工。去年，该团队在马萨诸塞州的德文斯开设了他们的第一家生产工厂，名为“VulcanOne”。

VulcanForms生产部件的质量和精度对于医疗植入物、热交换器和飞机发动机等产品至关重要。他们的机器可以打印出比头发丝还薄的金属层。

哈特是该公司董事会成员，他补充说:“我们正在生产的部件很难生产，在某些情况下不可能生产。”

VulcanForms开发的技术可能有助于以更可持续的方式制造零件和产品，既可以直接通过添加剂工艺，也可以间接通过更高效、灵活的供应链。

VulcanForms和AM促进可持续性的一种方式是通过节省材料。

VulcanForms使用的许多材料，如钛合金，都需要大量的能源来生产。当钛部件是3d打印时，使用的材料比传统加工过程要少得多。这种材料效率是哈特认为AM在节约能源方面产生巨大影响的地方。

哈特还指出，AM可以加速清洁能源技术的创新，从更高效的喷气发动机到未来的聚变反应堆。

哈特补充说:“寻求降低风险和扩大清洁能源技术规模的公司需要专门知识和先进的制造能力，而工业增材制造在这方面具有变革性。”

LiquiGlide:通过消除摩擦减少浪费

说到制造业和消费产品的浪费，有一个不太可能的罪魁祸首:摩擦。机械工程教授Kripa Varanasi和LiquiGlide团队的使命是创造一个无摩擦的未来，并大幅减少过程中的浪费。

LiquiGlide由Varanasi和校友David Smith SM ' 11于2012年创立，设计定制涂层，使液体能够在表面“滑动”。产品的每一滴都可以被利用，无论是从牙膏管中挤出来的，还是从制造厂的500升水箱中排出的。使容器无摩擦大大减少了浪费的产品，并消除了在回收或重复使用之前清洁容器的需要。

自成立以来，该公司在消费产品方面取得了巨大成功。客户高露洁在高露洁Elixir牙膏瓶的设计中使用了LiquiGlide的技术，该产品获得了多个行业设计奖项。LiquiGlide与世界著名设计师Yves Béhar合作，将他们的技术应用于美容和个人护理产品包装。与此同时，美国食品和药物管理局已经批准了他们的设备主备案，为该技术在医疗设备、药物输送和生物制药领域的应用提供了机会。

2016年，该公司开发了一种使容器制造无摩擦的系统。该技术被称为CleanTanX，用于处理储罐、漏斗和料斗的表面，防止材料粘在侧面。该系统可以减少高达99%的材料浪费。

“这可能真的会改变游戏规则。它节省了浪费的产品，减少了清洗罐产生的废水，并有助于使制造过程零浪费。”LiquiGlide董事长瓦拉纳西说。

LiquiGlide的工作原理是在容器表面创建一种由纹理固体和液体润滑剂制成的涂层。当应用到容器时，润滑剂仍然注入到纹理中。毛细管力稳定并允许液体在表面扩散，形成一个持续润滑的表面，任何粘性物质都可以向下滑动。该公司使用热力学算法来确定安全固体和液体的组合，这取决于产品，无论是牙膏还是油漆。

该公司已经建立了一个机器人喷涂系统，可以在现场制造工厂处理大型桶和罐。除了为公司节省数百万美元的产品浪费外，LiquiGlide还大大减少了定期清洁这些容器所需的水量，这些容器通常会将产品粘在边上。

“通常情况下，当你把水箱里的所有东西都清空后，仍然会有残留物需要用大量的水清洗。例如，在农用化学品领域，对于如何处理产生的有毒废水有严格的规定。所有这些都可以用LiquiGlide消除。”Varanasi说。

尽管在大流行早期关闭了许多生产设施，减缓了清洁x试点在工厂的推广，但最近几个月情况有所好转。随着全球和国内制造业的增长，Varanasi看到了对LiquiGlide技术的需求不断增长，特别是对半导体浆液等液体的需求。

Gradiant、Via Separations、VulcanForms和LiquiGlide等公司证明，制造业的扩张并不需要以高昂的环境成本为代价。以可持续的方式扩大制造业规模是可能的。

“作为机械工程师，制造业一直是我们工作的支柱。”福特工程教授、机械工程系前系主任汪伊芙琳(Evelyn Wang)说:“尤其是在麻省理工学院，总是有一种推动制造业可持续发展的动力。”“看到我们部门的初创公司如何关注制造过程的各个方面，并找出如何改善我们星球的健康，这很令人惊讶。”

随着《芯片法案》和《科学法案》等立法推动制造业的增长，对初创公司和公司的需求将会增加，这些公司将开发出减轻环境影响的解决方案，使我们更接近一个更可持续的未来。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。