菲利克斯·米歇尔和菲利普·斯塔尔聚集在慕尼黑工业大学（TUM）庞大实验室里一台闪闪发光的新型三臂机器人旁。 这台机器人拿起微小的碳纤维片，每片厚度不到十分之一毫米，但包含 24,000 根细丝，并快速将它们组装成三角形。 研究人员表示，最棘手的任务是编写软件，将任何零件的 3D 计算机模型（在本例中为自行车座椅，但也可能是医疗假肢或汽车组件）转换为机器人复杂运动的指令，包括纤维将具有最大强度和耐久性的精确位置。 项目完成后，米歇尔将将其用于他的博士论文，斯塔尔将完成他的本科学习。 但这项工作将在德国工厂获得第二次生命，其中包括位于兰茨胡特中世纪小镇附近 30 英里处的一家占地 700,000 平方英尺的最先进的宝马生产工厂，工程师们正在那里打造下一代汽车。
目前，兰茨胡特的工程师们专注于宝马 i3，如果其 2013 年的上市计划如期进行，它将成为世界上第一款由轻型组件制成的大众市场全电动汽车。 该车的乘客舱完全由碳复合材料制成，米歇尔和斯塔尔等研究人员和学生正在慕尼黑实验室帮助开发这种材料。 核心创新是一项新技术，它将汽车侧框架等复杂零件的生产时间缩短至短短两分钟，从而首次使这些高科技复合材料能够用于大规模生产。 三台重达 320 公吨的巨型压机将树脂注入预成型的碳纤维部件中，使其具有刚度。 宝马表示，其在复合材料制造技术方面领先于丰田或通用汽车等竞争对手。 “我们在将所有这些要素结合在一起方面的知识是我们的竞争对手无法轻易复制的，”宝马项目经理安德烈亚斯·莱因哈特说。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。 通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续报道有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。
也许是这样。 从大学和政府研究实验室到宝马等制造商的稳定创新管道是推动德国经济蓬勃发展的秘诀之一。 德国制造业长期以来一直被轻视为低端金属弯曲，但它顺利度过了金融危机，利润和就业几乎没有受到影响，尽管其工人的工资是世界上最高的，是其中国同行收入的 10 倍。 德国出口产品在全球市场中所占份额保持不变，与中国和其他新兴国家不相上下，即使美国的份额大幅下降。 工业就业人数的增加是德国截至 5 月份失业率仅为 5.6% 的原因之一，而美国为 8.2%，根据经济合作与发展组织的数据。 德国制造商在全球范围内保持竞争力，是因为他们的产品（如宝马 i3）充满了科学和创新。
德国成功的其中一个主要因素是，它设法利用本土的科学研究和专业知识来提升技术水平，专注于不易被廉价劳动力轻易复制或削弱的创新产品和工艺。 纺织业就是一个典型的例子。 与美国一样，德国很久以前就将其大部分服装和面料制造业转移到了中国、印度和土耳其等劳动力成本较低的地区。 然而，德国公司仍然在全球市场上占据着越来越复杂的纺织机械的领先份额，并搭上了低工资国家投资热潮的顺风车。 与此同时，许多德国以前的纺织品制造商也转向高科技，将其专业转向汽车和航空航天领域的工业用纺织品。 今天，国家纺织工业处于复合材料研究的前沿，与大学和政府技术中心合作，开发将碳纤维编织成股的精密机械——与羊毛或棉花没有什么不同，只是规模在微观层面。 如果德国放弃这个行业，它将缺乏生产在 TUM 和其他实验室开发的下一代复合材料的基础。
使这项研究走出实验室并进入市场的关键是大学的研究与当今高科技工厂车间之间的密切合作。 大多数德国制造商都有丰厚的研发预算，他们通常会从其他公司购买研发成果。 与许多可能资助教授职位或向大学部门进行一般捐赠的美国公司不同，德国公司通常会带着他们想要解决的非常具体的问题与大学接触。 例如，在 TUM，复合材料系由德国碳纤维制造商 SGL Carbon 资助，该公司希望了解哪种材料最适合下一代制造工艺。 宝马公司支付了该系约十几名博士生的工资； 他们的论文项目是 i3 预生产研究的一部分。 KUKA（机器人）和 Manz（复合材料压机）等设备制造商也深入参与了大学的研究。
将这种密集的网络化乘以数十所专注于技术和工程的大学。 在亚琛工业大学，超过 20 个大学研究所专注于最先进的生产技术，与机械制造商、机器人公司和软件开发商合作，使制造工艺非常高效，以至于像德国这样的高工资国家可以与中国这样的国家竞争。 亚琛工业大学目前正在建设一个耗资 25 亿美元的工业园区，供参与这项研究的公司合作。 卡尔斯鲁厄理工学院专注于纳米技术和材料科学，与德国领先的化学公司（如 BASF）合作，设计新的物质，使电池能够更高效、更经济地存储可再生能源。 在德累斯顿工业大学，与芯片制造商和信息技术公司合作的研究人员正在开发集成电路，其能耗仅为当前一代电子产品的百分之一。
德国政府也发挥着至关重要的作用。 尽管德国为基础科学资助了优秀的实验室，例如覆盖粒子物理学和进化生物学等不同学科的马克斯·普朗克研究所网络，但德国经济上最成功的研究机构是弗劳恩霍夫协会。 它的 60 个技术中心网络由政府和企业共同资助，因此严格以市场为导向。 弗劳恩霍夫 25 亿美元的年度预算也因专利收入而充裕，最值得注意的是它在 20 世纪 80 年代发明了 MP3 数据格式。
独特的信任
每个弗劳恩霍夫中心都与附近的大学密切合作，充当一个传输带，连接到与该中心以及彼此联网的整个公司集群，通过旨在找到进入工艺和产品的协同研究。 每个可以想象到的工业部门都有中心，包括化学公司的聚合物研究、传感器和激光器制造商的精密光学以及生产下一代 IT 组件的纳米电子学。
亚琛的弗劳恩霍夫生产技术研究所等几个中心专注于开发具有成本效益的制造技术，以保持德国与中国的竞争力。 对于复合材料研究，在慕尼黑附近的奥格斯堡有一个弗劳恩霍夫项目组，该项目组起源于冷战时期的火箭推进实验室。 奥格斯堡中心与 TUM 以及包括宝马、奥迪和空客所有者 EADS 在内的 50 多家公司合作，已经在致力于开发下一代复合纤维，这些纤维不是源自石油，而是源自木质素，木质素是木材和造纸行业取之不尽的副产品。
加速这些技术传播的另一个因素是鼓励研究人员和工程师跳槽。 例如，普通的弗劳恩霍夫科学家在 5 到 10 年后会跳槽到工业公司，许多最优秀的企业工程师也会担任教授或弗劳恩霍夫主任。 TUM 碳复合材料研究所教授兼负责人克劳斯·德雷克斯勒曾在 EADS 工作过一段时间，为空中客车开发复合材料。 现在他负责在奥格斯堡建立新的弗劳恩霍夫复合材料中心。 这种跳槽对于传播专业知识和技术至关重要，但在美国却不常见，在美国，政府研究人员通常会在一个地方待一辈子。
这种 интенсивное и сложное сотрудничество 是德国创新的典型特征。 其中大部分是在大大小小的公司之间几十年发展起来的，这些公司现在已经习惯于协同工作，以至于他们本能地知道可以分享哪些信息以及最好保留哪些专有信息。 “公司和机构之间既合作又竞争的这种信任是独一无二的——你在很少国家看到这种情况，”日内瓦世界经济论坛的经济学家、最新《全球竞争力报告》的合著者贝纳特·毕尔巴鄂说，该报告每年都显示德国在工业创新方面超越美国。 这些公司及其供应商集群中的大多数都是在几十年（在某些情况下是几个世纪，例如黑森林地区以前的钟表匠，他们现在是世界领先的精密外科器械生产商）中有机增长起来的，这使得它们不容易被复制。
尽管如此，德国人还是设法在新兴产业中不断创建这种网络。 最新的一个例子是莱比锡附近的生物经济集群，该集群由 60 多家公司和研究机构组成，正在开发从生物质生产化学品和塑料的方法，从而取代昂贵且排放二氧化碳的石油，不仅用于能源，还用于目前从石油中提炼的其他产品。 当弗劳恩霍夫建立新的技术中心时，它会识别在其领域已经很强大的公司和机构，而不是试图从头开始创建一些东西。 “我们的理念是取用已经运作良好的东西并浇灌它，使其生长，”弗劳恩霍夫协会主席汉斯-约格·布林格说。 例如，在建立新的碳复合材料集群时，弗劳恩霍夫识别出现有的公司和大学部门，并提供资金、人员和设施，以鼓励合作研究。
布林格说，第二个教训是长期投入。 新的弗劳恩霍夫中心的资金是无限期有保障的，并且可以自行运作，在前五年内不会进行评估，但要求它们从私营公司筹集到两倍于种子资金的资金除外。 这些公司也进行了长期投资； 德国许多最具创新性和技术驱动力的制造商都是家族企业，他们不担心季度报告。 一家典型的德国科技公司看起来像通快，这是一家几乎不为人知的家族企业，一代多以来一直是工业激光技术的世界领导者，现在的年销售额接近 30 亿美元。 弗劳恩霍夫也在金融危机最严重的时期增加了 3,000 名新研究人员。 “许多国家都试图复制我们，”布林格说。 “但他们的努力失败了，因为他们目光短浅。”
这可能是奥巴马总统在 3 月份提出的建立一个耗资 10 亿美元的国家制造业创新网络的提案中的致命缺陷，该网络明确以德国的弗劳恩霍夫为榜样。 如果国会批准，该网络将成为与制造公司合作的公私合作伙伴关系，以便在全国各地建立多达 15 个制造技术中心——到目前为止还不错。 但资金仅设定为前四年。 在布林格看来，对于最好的公司和研究人员来说，这对于承诺认真项目来说时间太短了。 “可能的结果是争夺项目资金而不是可持续发展的东西，”布林格说。 不过，他说，这是一个朝着正确方向迈出的一步。
当然，德国的制度也有其薄弱环节。 该国的精密文化可能更擅长完善现有技术，而不是激发激进的创新。 这个国家也经历过“技术恐惧症”时期，在此期间，政治家和抗议运动赶走了有希望的高科技产业，例如 20 世纪 80 年代的生物技术。 但德国对工业创新的追求已经打破了制造业是低技术的旧观念，并为如何与中国正面交锋树立了榜样。 那些在慕尼黑大学实验室里重塑制造业的研究生是值得学习的榜样。