|第三章|
聰明的工程師在哪裏
想象一下，有一個專門為天才打造的玩具屋，一個展示思維的博物館，一個以三維的方式呈現曆史、講述人類智慧故事的地方。兩年前，當我走進美國專利商標局的時候，我就是這種感覺。我當時受邀去那裏發表有關不同思維方式的演講，沒成想遇見之前讀到過的各種發明模型，我當場就被震撼了。
我小時候讀過一本有關發明家的書。遺憾的是，那本書再也找不到了。但是，我至今仍對其中最感興趣的介紹記憶猶新，譬如發明了平縫縫紉機的伊萊亞斯·豪，點燃了我對空氣動力學終生興趣的萊特兄弟，以及我心中的超級英雄、擁有最多專利技術的托馬斯·愛迪生。我的外祖父對我影響很大，而他正是飛機自動駕駛儀的共同專利持有者。
美國專利商標局成立於1790年。直到19世紀70年代，想要獲得專利的發明人必須在申請時提供發明創造的模型或原型。在美國專利商標局成立後的第一個百年中，它收藏的專利產品大多與農業、化學、水力、電力、印刷和造紙有關。美國專利商標局認證的第一項專利是一種製造鉀堿的新方法。到1823年，申請專利的檔案內容主要是關於犁、脫粒機、水車、風車、鎖具、槍支、橋梁和水泵的。蒸汽機當時已用於為火車、磨坊、船隻和工廠提供動力。不
幸的是，美國專利商標局曾兩度失火，早期的發明模型大多被燒毀殆盡。在慶祝美國專利商標局成立百年的慶典上，康涅狄格州的聯邦參議員奧維爾·普拉特（Orville Platt）評論道：“曆史證明，一個國家的繁榮偉大取決於這個國家工業技術的發展。”普拉特將人們對技術知識的掌握一路追溯到了那些無名的發明者，他們是“鐵匠、木匠、磨坊工人和鄉村修補匠”。在這裏，我想要補充說明的是，他們毫無疑問都是視覺思維者。
還是在那場百年慶典上，受人尊敬的美國專利商標局專員查爾斯·E.米切爾（Charles E.Mitchell）回憶說，自己親眼見證了曆史變遷：牛油蠟燭換成了電燈，送信的報童換成了電話和電報，馬鞍換成了汽車。發明時代與能夠在腦海中看到如何解決問題、增強係統、製定解決方案的男男女女有著千絲萬縷的聯係。當我踏進美國專利商標局的中庭時，首先映入眼簾的是一門裝有先進的吸收後坐力的複雜機械裝置的大炮模型。是“聰明的工程部門”，沒錯了。
問題是，工匠們都去哪兒了？美國的製造業為什麼已遠遠落後於其他國家？如果拉開距離，我們可能會在一個更廣闊的全球圖景中看到極為複雜且正在互相較量的政治和經濟力量。然而，我關心的問題很具體，
即我們正在喪失基本的技術技能。背後的原因如前所述，是我們未能在老一代的製造業專家退休前及時補充上新鮮血液，是我們將廉價商品連同高科技產品的生產拱手讓給了外國公司，是我們將那些最適合從事技術工作的學生淘汰出局。
很多東西你可能從沒有仔細考慮過，譬如車庫的開門器、超市的傳送帶、打印機內的感光鼓、公寓裏的電梯甚至每天與你形影不離的手機。這一切都被視為日常生活中理所當然的存在。是誰發明了製冰機、觸摸屏和彈道導彈？我想每一項發明背後的故事肯定比《戰爭與和平》還要長。除非我們看到數千頁用來申請專利的圖紙說明，否則我們將無從知曉發明家是如何尋求創造、推動變革的。早在專利出現之前，聰明人就想要琢磨明白怎樣製造和修理東西。他們的探索並非為了營利，而是為了讓生活變得更輕鬆、更方便。沒有機械發明——從簡陋的杠杆和簡單的滑輪開始，文明就不會進步。正是這些發明讓人們能夠挖井以獲得幹淨的水，築壩讓農業蓬勃發展，修路使貨物運輸成為可能。機械發明者通常都是對象可視化者，他們圖像化的思維方式會讓他們看到尚未建造完成的機械設備將如何運作。
在美國專利商標局展出的最早的效果圖中，你可以看到對象可視化者在工作時所展示出來的機械才
能。這種聰明才智在我小時候鍾愛的那本有關發明家的書中也有所體現。我想以4個發明案例來說明他們的發明對社會產生的影響。伊萊·惠特尼（Eli Whitney）發明了可以將棉籽與棉纖維分離的軋棉機，此舉徹底改變了紡織業。塞勒斯·麥考密克（Cyrus Mick）發明了使用振動刀片收割穀物的收割機。這一設備的某個版本後來被廣泛應用於所有的機械收割機，從而徹底改變了我們的食物供應體係。伊萊亞斯·豪並沒有直接發明縫紉機，但是他組合了所有的必備元素，從懸臂、連鎖縫、織物自動送料到巧妙設計的針眼位於穿過織物的尖頭一端的針。縫紉機的出現看似是件小事，但是在它與自動收割棉花的軋棉機結合之後，我們迎來了價格低廉且高速便捷的成衣生產時代。塞繆爾·柯爾特（Samuel Colt）發明的六發手槍有一個用木頭削成的旋轉圓筒。它會自動將下一顆子彈旋轉到位，讓持槍者無須停下來重新裝彈就可以完成多次射擊。戰爭的樣貌從此被徹底改變。這4位發明家在機械方麵絕頂聰明，而且他們的創造發明無一例外地都不需要高等數學。
利用可視化解決問題的能力是聰明工程師的本錢。這就是幾個世紀以來機械知識的傳播方式。工程師兼技術史學家尤金·S.弗格森（
Eugene S.Ferguson）在《科學》雜誌上發表了一篇關於視覺思維的開創性論文。他介紹說隨著印刷術的發展，與技術知識相關的可視化記錄大量湧現。在整理編纂15—20世紀的藝術家和工程師留下的筆記本、技術工作手冊及指南（包括達·芬奇的數千頁技術圖紙）時，弗格森通過每一張已知設備和機械裝置的詳細圖紙，梳理了人類智慧的記錄。這些留存下來的筆記充滿了對複雜的齒輪組件、水泵、鋸木機、起重機和軍事機械逼真精美的描畫。弗格森寫道：“當設計師在紙上繪製線條時，他將出現在大腦中的圖像轉變為其他人也可以在自己大腦中看到的類似圖像，而它們最終成了用金屬製成的三維引擎……設計來自設計師的非語言思維和非語言推理。他們是用圖像思考的。”
人類社會在每一個世紀都會迎來一批令人難以置信的機械創新和進步記錄。弗格森將這種技術進步歸功於工匠、設計師、發明家和工程師，因為他們在用自己的“心靈之眼”（即“通過視覺及非語言的處理過程”）觀察這個世界。他總結道：“大部分創造性思維是非語言的，也無法簡單地訴諸文字……技術工作者們將他們的非語言知識轉化為具體的物品……或者讓其他人也能在自己的大腦中理解的圖像。他們選用了現實世界中的
形狀和特質來予以表現。技術的這種非文字的、非科學的智力成分並未能獲得廣泛的關注，因為它根植於藝術而非科學。”
弗格森的這篇有關視覺思維的論文發表於1977年。15年後，他出版了專著《工程學與心靈之眼》（Engineering and the Mind''s Eye）。他的論述證實了我一直以來在這個領域的觀察，即工程學已經遠離了“無法用數學關係表達的知識”。他預警說，忽視視覺和非語言思維的工程學教育將培養出無法了解“現實世界與教授教給他們的數學世界有何不同”的工程師。
我最近參觀了一位21世紀視覺思維者的工廠。他的畫布就是宇宙蒼穹。他設計行星設備，具體來說是從火箭的鼻錐發射衛星的裝置。我被他車間裏閃閃發光的機器深深吸引，但真正讓我大開眼界的是一個我隻能用“金色的牛奶箱”來形容的東西。它其實是一個閃亮的用來存放衛星的帶格盒子。我篤定他就是從現實生活中的牛奶箱獲得的靈感。他的客戶名單上都是宇宙探索領域響當當的人物。他們中的大部分人應該不知道他上學期間隻是一名功課成績為C的學生，而且差一點兒沒能從工程學校畢業。也許，他設計發射衛星的複雜機械裝置的靈感來自能打開汽車後備箱的小工具。這種機械裝置確保衛星
在發射時不會卡在鼻錐中。為了獲得靈感，這位發明家會去全球最大的倉儲式家居建材用品店“家得寶”購買電鑽和其他工具，而他這麼做的唯一目的就是將它們“大卸八塊”，研究其中的機械原理。我小時候還沒有“家得寶”，隻記得去五金店的經曆。我會在店裏擺弄每一把鎖和每一個插銷，會盯著看油漆攪拌機旋轉一個罐子好幾個小時。當然，並非所有愛逛“家得寶”的人都會成為火箭科學家，但是大部分愛逛“家得寶”的人是視覺思維者。
一些機械發明家也可能是強大的空間可視化者。迄今為止，科學研究尚未將他們與對象可視化者截然分開。但是，幾個世紀以來的大多數機械發明顯然不是通過抽象思維產生的，而是由可以在腦海中看到事物如何運作的對象可視化者構思設計並親自實踐完成的。這些具有非凡視覺技能的人，也就是“聰明的工程部門”的成員，改變了我們的社會。穀登堡的活字印刷術徹底革新了印刷技術，進而提高了民眾的識字率。亨利·福特雖然沒有發明汽車，但是他弄清楚了如何製造出一種使駕駛更輕鬆的傳動機製，並且對裝配流水線進行了改進，從而改變了大眾交通的麵貌。
對象可視化者有著精通機械原理的頭腦，往往具體且實際。空間可視化者能夠進行抽象理解，不僅能掌握而且能發現組
織世界的科學原理。瑞士化學家理查德·R.恩斯特（Richard R.Ernst）由於為實現磁共振成像（MRI）打下基礎而榮獲了諾貝爾化學獎。我最近偶爾讀到他的一句話：“我不是人們想象中探索世界的科學家，我就是一個工具製造者。從這個意義上來說，我算不上科學家。我隻是想讓人們具備解決問題的能力。”他的這句話觸及了兩種類型的視覺思維者的差異的核心。
20世紀70—80年代以及90年代初，當我在現場監督建造我為豬、牛設計的牲畜圍欄、滑槽及處理係統時，我得以近距離見證機械發明的純粹之美。毫不誇張地說，如若沒有許多才華橫溢、獨具匠心的機械設計師，這些業務無從蓬勃發展。一般來說，在食品加工業，空間可視化者大多是擁有高等學位的工程師，負責建造涉及高等數學的基礎設施，例如鍋爐與製冷、電力和供水係統。然而，來自“聰明的工程部門”的對象可視化者幾乎都沒有工程學學位，但是他們能夠建造任何與機械相關的東西。在食品加工廠，正是這些“古怪”的人設計並製造了所有複雜的專業機械設備。在今天這個數字時代，盡管設備控製已充分計算機化，但是設備本身依然以機械為主。
當然，“古怪”一詞是對那些不怎麼“合群”的人的委婉評價。與我共事過
的很多人都是社恐人士。他們往往注意力高度集中，喜歡自己一個人工作，而且常常不注意個人衛生。其中一位設計師也是我的同事，在上學期間可是一個成績糟糕的學生。他患有閱讀障礙，具備許多孤獨症的特征，還口吃。但是，高中的一門焊接課拯救了他。從那以後，他開始製造設備，參加縣、州級的博覽會進行展示銷售，最終開創了自己的事業。如今，他擁有一家大型金屬加工公司，產品更是銷往了世界各地。他幾乎可以造出任何東西，甚至不需要畫出草圖。他擁有多項專利，是一位純粹的對象可視化者。
我的另一位同事也是一位擁有多項專利的對象可視化者。他的代數成績一直很差，事業起步得益於高中時期參加的一個名為“美國未來農民”的課程項目和焊接課。“美國未來農民”是一個麵向全美國高中生的課程項目，旨在培養參加者在農業、領導力和公共演講方麵的能力，並教授諸如焊接和發動機維修等行業的實際操作技能。如今，他擁有一家大型建築公司，建造大型的“交鑰匙”牛肉加工廠。所謂“交鑰匙”工程是指承包商不僅建造建築物，還提供和安裝所有的專用機械設備，也就是交工即可投產使用的項目。值得強調的是，盡管這兩家企業，一家仍然在當地發展，而另一家已成長為擁有眾多員工的大公
司，但它們都是從小作坊發展起來的。這就是創新發生的地方。
在職業發展之初，我以為公司大佬們知道所有的答案。然而，經驗告訴我，事實並非總是如此。我現在的座右銘是：小人物，大創新。我對“毅力號”火星探測器上的相機特別著迷。它的發明者是我的母校亞利桑那州立大學的地質學教授邁克爾·馬林（Michael Malin）。他同時也在噴氣推進實驗室和美國國家航空航天局工作，正是在那裏他首先提出了關於相機的想法。美國國家航空航天局一開始表示拒絕，聲稱已擁有所有需要的照片。麵對被拒絕，馬林沒有心灰意冷，反而與其他地質學家一起創辦了一家研究其他行星的小公司。他們最終獲得了美國國家航空航天局的資助。火星探測器看上去像是一輛沒有外殼的沙漠吉普車和一個變形金剛的混合體，總共安裝了23台相機，其中9台工程相機，7台科研相機，7台進入、下降和著陸相機。每一台相機都有其各自不同的使用目的。最讓我意想不到的是那台“超級相機”，它會向機械臂無法觸及的更遠的礦物目標發射激光，接著通過對氣化岩石的分析來確定其元素成分。馬林的相機負責拍攝火星上有水跡象的照片。他真的是非常聰明。
另一家對最新火星探測器的成功至關重要的公司是來自伊利諾伊
州的森林城市齒輪公司（Forest City Gear）。他們同美國國家航空航天局合作製造出了可以轉動相機的微型齒輪。這是一項巨大的挑戰，因為需要非常精確的容差來確保齒輪能夠在惡劣的火星環境中有效工作。換句話說，需要在執行過程中特別注意細節。事實證明，這項工作最完美的候選人是孤獨症患者。伊萬·羅森堡（Ivan Rosenberg）博士在加利福尼亞州聖克拉麗塔的峽穀學院啟動了一個獨特項目來培訓患有孤獨症的學生為森林城市齒輪公司運行計算機化的金屬機械設備。這個為期12星期的課程將課堂學習和實踐操作融為一體，將教授的職業技能與職場所需完美匹配。
馬林的相機公司和森林城市齒輪公司都是高度專業化的小型美國私營企業的典範。然而，值得注意的是，他們用來製造其產品中的高精度加工零件的機器卻都來自歐洲。我們已不再生產精密的由計算機控製的金屬銑削機械設備。
讓“毅力號”火星探測器在火星表麵輕輕著陸的降落傘是在美國縫製並裝配的，但製造降落傘的高科技麵料是由英國希思科特紡織品有限公司（Heathcoat Fabrics）提供的。美國機織織物事業部的負責人彼得·希爾（Peter Hill）幾乎是“跪在電視機前”觀看了火
星探測器著陸的整個過程。
火星探測器上有看起來非常酷的“風火輪”，它們是由一整塊飛機級鋁材加工而成的。大多數人不知道的是，早期的一台探測器的鋁製踏板中嵌入了一種“蝙蝠洞”信號。當探測器的輪子轉動時，噴氣推進實驗室英文名的首寫字母JPL就會出現在探測器的軌跡上。美國國家航空航天局稱之為“視覺裏程計”，可以測量出探測器移動的距離。內部人士認為，設計這個的技術人員其實並未被允許使用實驗室英文名的首字母縮寫。但是，正如我們將會在後文中所看到的那樣，技術人員喜歡炫耀。
在貿易展覽會上，我總是會向不同的公司詢問它們最新機器的來源。通常，這些機器都是由工廠的一線員工提出構想、創建原型，而後由更擅長數學的工程師進一步予以完善的。當我第一次與肉類公司合作時，它們還有自己的內部工程部門和設備製造設施。這些工程部門發明了許多新設備。然而，20世紀90年代，公司為了省錢逐步將內部工程部門和大量的金屬加工設施淘汰了。與此同時，隨著老一代員工的退休，公司並沒有迎來相應的新鮮血液，他們所擁有的技能和知識就這樣無可挽回地丟失了。
許多人可能並不知道現代工業的傳送帶是在美國發明的，他們更不知道美國在這一領域的優勢早已不複存在
。傳送帶的第一項專利誕生於1896年，這主要歸功於發明家托馬斯·羅賓斯（Thomas Robins），他最初是為托馬斯·愛迪生的礦石加工公司運送煤炭和礦石的。羅賓斯在普林斯頓大學學習兩年後輟學。1896年，他因改進了傳送帶而獲得專利並創辦了自己的公司。美國在輸送機行業已不再領先的領域是高度自動化係統。羅賓斯創建的生產傳送帶的公司目前由一家印度的跨國集團擁有。
總體來說，自動化輸送係統目前主要由歐洲主導。總部位於德國的凱傲集團是製造自動化倉庫係統的領導者。這家公司一直在培養一支接受過行業技能培訓的員工隊伍，以改進供應鏈的輸送係統，實現運輸效率的最大化。在高度自動化的過程中，我們總是需要具備高技術能力的工作人員來安裝和維修機器。正是這一服務讓快速送貨上門成為可能。亞馬遜、沃爾瑪和菲多利等大型美國公司都是凱傲集團的客戶。英國擁有最先進的機器人倉庫，而日本則在自動化機床領域獨占鼇頭。根據市場研究報告數據，工業機器人的五大製造商分別來自瑞士、德國和日本。中國除了生產世界上大部分的蘋果手機，還製造將流行的巧克力旋轉放入軟冰激淩甜筒的智能機器。截至2014年，歐洲擁有37%的現代電梯市場，而美國僅占17%
。用於裝卸大型集裝箱船的巨型起重機主要產自歐洲和中國。你在線購買的大量商品是通過其他國家或地區製造的集裝箱船運來美國的。
令人震驚的還有一台巨大的計算機芯片製造機。我是在2020年的《經濟學人》雜誌上首次看到的。這台讓人意想不到的大機器可能來自很久之前一個遙遠的星係。它看上去是一個巨大的長方形盒子，有一輛公共汽車那麼高，外部四周都是白色的麵板，讓人絲毫看不出來它裏麵有什麼。它的內部是各種大小不一的連接至盒子、閥門和電子設備的銀色管道。紫外線光束在多個鏡子之間來回反射，形成的線條比頭發絲還細。此時你的大腦中可能會響起電影《星球大戰》的主題曲。這些遊絲般的光束將電路圖案蝕刻到計算機芯片上。如果你是一名技術極客，你會覺得它非常漂亮，尤其是與前幾代芯片製造機相比。之前蝕刻的圖案就像是有人用粗粉筆在電路板上的潦草塗鴉。創建這樣一個未來派的新設備既需要聰明的、擅長對象可視化的工程師，也需要有數學頭腦的、擅長空間可視化的工程師。更令我意想不到的是，如今在電子芯片製造業最先進的設備都來自一家名為阿斯麥（ASML）的荷蘭公司。計算機芯片分明是美國人發明的，但是美國走到如今這一步，究竟發生了什麼？
根據布魯金
斯學會編纂的《全球製造業記分卡》，美國工人在一係列領域的表現遠遠落後於其他國家。就製造業產出而言，中國位居全球第一，美國緊隨其後排在第二。但是就製造業就業人口的百分比而言，美國在接受調查的18個國家中排名第16位。這項報告指出，一個最關鍵的問題就是缺乏足夠多的技術工人來填補空白的崗位，因此“激勵個人學習科學、技術、工程和數學的職業教育和培訓勢在必行”。
德國和荷蘭等國家依然保留著匹配技術行業的課程。反觀美國，製造業已外流至其他國家，留下了缺乏熟練技工進行手工勞動的空白。美國聯合總承包商在2021年出具的一份報告中提到，61%的美國承包商難以找到合格的工人。在新冠疫情的防控措施放鬆之後，我得以再次回到牛肉加工廠。其中，一家工廠的一些設備需要重建。這些設備是簡單的鋼製品，需要標準的現成的液壓元件。當我得知唯一能夠建造它的金屬加工廠的訂單已排到8個月之後時，可想而知，我有多震驚。最主要的問題是，金屬加工廠沒有足夠多的熟練工人。與加工廠的維修部門談話後，我才發現他們也不清楚自己退休之後是否會有新一代的熟練維修工來接班。根據我讀過的每一份報告，我們對技能的需求比以往任何時候都更加迫切，我們也因此麵
臨著前所未有的技能缺口。
如果我們不解決技術工人的短缺問題，那麼我們的就業前景將陷入嚴重困境。新冠疫情凸顯出了某些特定需求的緊迫性，諸如醫療技術人員、急救人員、護理人員、Zoom軟件和視頻平台專家等。但是，公共衛生的危機並不是疫情帶來的。早在2008年，公共衛生學校協會就已經發布了一項報告，預測公共衛生領域截至2020年會有25萬個崗位空缺。這正是我們目前麵臨的處境。
這一切加起來就是我所說的投入失敗。我的意思是我們未能及早發現視覺思維者，鼓勵他們從事可以發揮出才能和技能的工作來造福社會。同時，我們也未能將不同的思維方式加以整合，進而促進社會發展。現在，不論是在個人層麵還是在大眾層麵，我們都在自食其果。但是，麵對這一後果，我們仍然可以從個人層麵和大眾層麵尋找解決之道。
當歐洲國家在培訓和提拔他們聰明的工程師時，美國卻將這些人淘汰出局。
培養聰明的工程師
我一直在收集那些能逆勢而上、戰勝困難的人物故事。他們讓我堅信努力付出與獨立思考會為真正的探索發現鋪平道路。波士頓大學的生物學家林恩·馬古利斯（Lynn Margulis）在研究論文被15家科學期刊拒絕之後仍一路堅持，最終論文得以發表。這篇論文論證說
明了為動物細胞提供能量的線粒體與讓植物能夠利用太陽光進行光合作用的葉綠體都曾經是獨立的生物體。她的這一發現目前已成為公認的事實。另一位我欽佩的科學家是負責哈勃深空視覺成像的天文學家鮑勃·威廉斯（Bob Williams）。一開始，當威廉斯博士提議將哈勃望遠鏡對準沒有任何可觀測實體的宇宙太空時，他的同事們都認為這是在浪費太空望遠鏡寶貴的觀測時間。他最後選擇了北鬥七星附近的一片暗黑區域。結果，當哈勃太空望遠鏡對準那一片看似空無的深空時，人們觀察到了成千上萬的璀璨星係，領略到了宇宙的浩瀚無邊和所有可見恒星之外的奇妙世界。