|第三章|
聪明的工程师在哪里
想象一下，有一个专门为天才打造的玩具屋，一个展示思维的博物馆，一个以三维的方式呈现历史、讲述人类智慧故事的地方。两年前，当我走进美国专利商标局的时候，我就是这种感觉。我当时受邀去那里发表有关不同思维方式的演讲，没成想遇见之前读到过的各种发明模型，我当场就被震撼了。
我小时候读过一本有关发明家的书。遗憾的是，那本书再也找不到了。但是，我至今仍对其中最感兴趣的介绍记忆犹新，譬如发明了平缝缝纫机的伊莱亚斯·豪，点燃了我对空气动力学终生兴趣的莱特兄弟，以及我心中的超级英雄、拥有最多专利技术的托马斯·爱迪生。我的外祖父对我影响很大，而他正是飞机自动驾驶仪的共同专利持有者。
美国专利商标局成立于1790年。直到19世纪70年代，想要获得专利的发明人必须在申请时提供发明创造的模型或原型。在美国专利商标局成立后的第一个百年中，它收藏的专利产品大多与农业、化学、水力、电力、印刷和造纸有关。美国专利商标局认证的第一项专利是一种制造钾碱的新方法。到1823年，申请专利的档案内容主要是关于犁、脱粒机、水车、风车、锁具、枪支、桥梁和水泵的。蒸汽机当时已用于为火车、磨坊、船只和工厂提供动力。不
幸的是，美国专利商标局曾两度失火，早期的发明模型大多被烧毁殆尽。在庆祝美国专利商标局成立百年的庆典上，康涅狄格州的联邦参议员奥维尔·普拉特（Orville Platt）评论道：“历史证明，一个国家的繁荣伟大取决于这个国家工业技术的发展。”普拉特将人们对技术知识的掌握一路追溯到了那些无名的发明者，他们是“铁匠、木匠、磨坊工人和乡村修补匠”。在这里，我想要补充说明的是，他们毫无疑问都是视觉思维者。
还是在那场百年庆典上，受人尊敬的美国专利商标局专员查尔斯·E.米切尔（Charles E.Mitchell）回忆说，自己亲眼见证了历史变迁：牛油蜡烛换成了电灯，送信的报童换成了电话和电报，马鞍换成了汽车。发明时代与能够在脑海中看到如何解决问题、增强系统、制定解决方案的男男女女有着千丝万缕的联系。当我踏进美国专利商标局的中庭时，首先映入眼帘的是一门装有先进的吸收后坐力的复杂机械装置的大炮模型。是“聪明的工程部门”，没错了。
问题是，工匠们都去哪儿了？美国的制造业为什么已远远落后于其他国家？如果拉开距离，我们可能会在一个更广阔的全球图景中看到极为复杂且正在互相较量的政治和经济力量。然而，我关心的问题很具体，
即我们正在丧失基本的技术技能。背后的原因如前所述，是我们未能在老一代的制造业专家退休前及时补充上新鲜血液，是我们将廉价商品连同高科技产品的生产拱手让给了外国公司，是我们将那些最适合从事技术工作的学生淘汰出局。
很多东西你可能从没有仔细考虑过，譬如车库的开门器、超市的传送带、打印机内的感光鼓、公寓里的电梯甚至每天与你形影不离的手机。这一切都被视为日常生活中理所当然的存在。是谁发明了制冰机、触摸屏和弹道导弹？我想每一项发明背后的故事肯定比《战争与和平》还要长。除非我们看到数千页用来申请专利的图纸说明，否则我们将无从知晓发明家是如何寻求创造、推动变革的。早在专利出现之前，聪明人就想要琢磨明白怎样制造和修理东西。他们的探索并非为了营利，而是为了让生活变得更轻松、更方便。没有机械发明——从简陋的杠杆和简单的滑轮开始，文明就不会进步。正是这些发明让人们能够挖井以获得干净的水，筑坝让农业蓬勃发展，修路使货物运输成为可能。机械发明者通常都是对象可视化者，他们图像化的思维方式会让他们看到尚未建造完成的机械设备将如何运作。
在美国专利商标局展出的最早的效果图中，你可以看到对象可视化者在工作时所展示出来的机械才
能。这种聪明才智在我小时候钟爱的那本有关发明家的书中也有所体现。我想以4个发明案例来说明他们的发明对社会产生的影响。伊莱·惠特尼（Eli Whitney）发明了可以将棉籽与棉纤维分离的轧棉机，此举彻底改变了纺织业。塞勒斯·麦考密克（Cyrus Mick）发明了使用振动刀片收割谷物的收割机。这一设备的某个版本后来被广泛应用于所有的机械收割机，从而彻底改变了我们的食物供应体系。伊莱亚斯·豪并没有直接发明缝纫机，但是他组合了所有的必备元素，从悬臂、连锁缝、织物自动送料到巧妙设计的针眼位于穿过织物的尖头一端的针。缝纫机的出现看似是件小事，但是在它与自动收割棉花的轧棉机结合之后，我们迎来了价格低廉且高速便捷的成衣生产时代。塞缪尔·柯尔特（Samuel Colt）发明的六发手枪有一个用木头削成的旋转圆筒。它会自动将下一颗子弹旋转到位，让持枪者无须停下来重新装弹就可以完成多次射击。战争的样貌从此被彻底改变。这4位发明家在机械方面绝顶聪明，而且他们的创造发明无一例外地都不需要高等数学。
利用可视化解决问题的能力是聪明工程师的本钱。这就是几个世纪以来机械知识的传播方式。工程师兼技术史学家尤金·S.弗格森（
Eugene S.Ferguson）在《科学》杂志上发表了一篇关于视觉思维的开创性论文。他介绍说随着印刷术的发展，与技术知识相关的可视化记录大量涌现。在整理编纂15—20世纪的艺术家和工程师留下的笔记本、技术工作手册及指南（包括达·芬奇的数千页技术图纸）时，弗格森通过每一张已知设备和机械装置的详细图纸，梳理了人类智慧的记录。这些留存下来的笔记充满了对复杂的齿轮组件、水泵、锯木机、起重机和军事机械逼真精美的描画。弗格森写道：“当设计师在纸上绘制线条时，他将出现在大脑中的图像转变为其他人也可以在自己大脑中看到的类似图像，而它们最终成了用金属制成的三维引擎……设计来自设计师的非语言思维和非语言推理。他们是用图像思考的。”
人类社会在每一个世纪都会迎来一批令人难以置信的机械创新和进步记录。弗格森将这种技术进步归功于工匠、设计师、发明家和工程师，因为他们在用自己的“心灵之眼”（即“通过视觉及非语言的处理过程”）观察这个世界。他总结道：“大部分创造性思维是非语言的，也无法简单地诉诸文字……技术工作者们将他们的非语言知识转化为具体的物品……或者让其他人也能在自己的大脑中理解的图像。他们选用了现实世界中的
形状和特质来予以表现。技术的这种非文字的、非科学的智力成分并未能获得广泛的关注，因为它根植于艺术而非科学。”
弗格森的这篇有关视觉思维的论文发表于1977年。15年后，他出版了专著《工程学与心灵之眼》（Engineering and the Mind''s Eye）。他的论述证实了我一直以来在这个领域的观察，即工程学已经远离了“无法用数学关系表达的知识”。他预警说，忽视视觉和非语言思维的工程学教育将培养出无法了解“现实世界与教授教给他们的数学世界有何不同”的工程师。
我最近参观了一位21世纪视觉思维者的工厂。他的画布就是宇宙苍穹。他设计行星设备，具体来说是从火箭的鼻锥发射卫星的装置。我被他车间里闪闪发光的机器深深吸引，但真正让我大开眼界的是一个我只能用“金色的牛奶箱”来形容的东西。它其实是一个闪亮的用来存放卫星的带格盒子。我笃定他就是从现实生活中的牛奶箱获得的灵感。他的客户名单上都是宇宙探索领域响当当的人物。他们中的大部分人应该不知道他上学期间只是一名功课成绩为C的学生，而且差一点儿没能从工程学校毕业。也许，他设计发射卫星的复杂机械装置的灵感来自能打开汽车后备箱的小工具。这种机械装置确保卫星
在发射时不会卡在鼻锥中。为了获得灵感，这位发明家会去全球最大的仓储式家居建材用品店“家得宝”购买电钻和其他工具，而他这么做的唯一目的就是将它们“大卸八块”，研究其中的机械原理。我小时候还没有“家得宝”，只记得去五金店的经历。我会在店里摆弄每一把锁和每一个插销，会盯着看油漆搅拌机旋转一个罐子好几个小时。当然，并非所有爱逛“家得宝”的人都会成为火箭科学家，但是大部分爱逛“家得宝”的人是视觉思维者。
一些机械发明家也可能是强大的空间可视化者。迄今为止，科学研究尚未将他们与对象可视化者截然分开。但是，几个世纪以来的大多数机械发明显然不是通过抽象思维产生的，而是由可以在脑海中看到事物如何运作的对象可视化者构思设计并亲自实践完成的。这些具有非凡视觉技能的人，也就是“聪明的工程部门”的成员，改变了我们的社会。谷登堡的活字印刷术彻底革新了印刷技术，进而提高了民众的识字率。亨利·福特虽然没有发明汽车，但是他弄清楚了如何制造出一种使驾驶更轻松的传动机制，并且对装配流水线进行了改进，从而改变了大众交通的面貌。
对象可视化者有着精通机械原理的头脑，往往具体且实际。空间可视化者能够进行抽象理解，不仅能掌握而且能发现组
织世界的科学原理。瑞士化学家理查德·R.恩斯特（Richard R.Ernst）由于为实现磁共振成像（MRI）打下基础而荣获了诺贝尔化学奖。我最近偶尔读到他的一句话：“我不是人们想象中探索世界的科学家，我就是一个工具制造者。从这个意义上来说，我算不上科学家。我只是想让人们具备解决问题的能力。”他的这句话触及了两种类型的视觉思维者的差异的核心。
20世纪70—80年代以及90年代初，当我在现场监督建造我为猪、牛设计的牲畜围栏、滑槽及处理系统时，我得以近距离见证机械发明的纯粹之美。毫不夸张地说，如若没有许多才华横溢、独具匠心的机械设计师，这些业务无从蓬勃发展。一般来说，在食品加工业，空间可视化者大多是拥有高等学位的工程师，负责建造涉及高等数学的基础设施，例如锅炉与制冷、电力和供水系统。然而，来自“聪明的工程部门”的对象可视化者几乎都没有工程学学位，但是他们能够建造任何与机械相关的东西。在食品加工厂，正是这些“古怪”的人设计并制造了所有复杂的专业机械设备。在今天这个数字时代，尽管设备控制已充分计算机化，但是设备本身依然以机械为主。
当然，“古怪”一词是对那些不怎么“合群”的人的委婉评价。与我共事过
的很多人都是社恐人士。他们往往注意力高度集中，喜欢自己一个人工作，而且常常不注意个人卫生。其中一位设计师也是我的同事，在上学期间可是一个成绩糟糕的学生。他患有阅读障碍，具备许多孤独症的特征，还口吃。但是，高中的一门焊接课拯救了他。从那以后，他开始制造设备，参加县、州级的博览会进行展示销售，最终开创了自己的事业。如今，他拥有一家大型金属加工公司，产品更是销往了世界各地。他几乎可以造出任何东西，甚至不需要画出草图。他拥有多项专利，是一位纯粹的对象可视化者。
我的另一位同事也是一位拥有多项专利的对象可视化者。他的代数成绩一直很差，事业起步得益于高中时期参加的一个名为“美国未来农民”的课程项目和焊接课。“美国未来农民”是一个面向全美国高中生的课程项目，旨在培养参加者在农业、领导力和公共演讲方面的能力，并教授诸如焊接和发动机维修等行业的实际操作技能。如今，他拥有一家大型建筑公司，建造大型的“交钥匙”牛肉加工厂。所谓“交钥匙”工程是指承包商不仅建造建筑物，还提供和安装所有的专用机械设备，也就是交工即可投产使用的项目。值得强调的是，尽管这两家企业，一家仍然在当地发展，而另一家已成长为拥有众多员工的大公
司，但它们都是从小作坊发展起来的。这就是创新发生的地方。
在职业发展之初，我以为公司大佬们知道所有的答案。然而，经验告诉我，事实并非总是如此。我现在的座右铭是：小人物，大创新。我对“毅力号”火星探测器上的相机特别着迷。它的发明者是我的母校亚利桑那州立大学的地质学教授迈克尔·马林（Michael Malin）。他同时也在喷气推进实验室和美国国家航空航天局工作，正是在那里他首先提出了关于相机的想法。美国国家航空航天局一开始表示拒绝，声称已拥有所有需要的照片。面对被拒绝，马林没有心灰意冷，反而与其他地质学家一起创办了一家研究其他行星的小公司。他们最终获得了美国国家航空航天局的资助。火星探测器看上去像是一辆没有外壳的沙漠吉普车和一个变形金刚的混合体，总共安装了23台相机，其中9台工程相机，7台科研相机，7台进入、下降和着陆相机。每一台相机都有其各自不同的使用目的。最让我意想不到的是那台“超级相机”，它会向机械臂无法触及的更远的矿物目标发射激光，接着通过对气化岩石的分析来确定其元素成分。马林的相机负责拍摄火星上有水迹象的照片。他真的是非常聪明。
另一家对最新火星探测器的成功至关重要的公司是来自伊利诺伊
州的森林城市齿轮公司（Forest City Gear）。他们同美国国家航空航天局合作制造出了可以转动相机的微型齿轮。这是一项巨大的挑战，因为需要非常精确的容差来确保齿轮能够在恶劣的火星环境中有效工作。换句话说，需要在执行过程中特别注意细节。事实证明，这项工作最完美的候选人是孤独症患者。伊万·罗森堡（Ivan Rosenberg）博士在加利福尼亚州圣克拉丽塔的峡谷学院启动了一个独特项目来培训患有孤独症的学生为森林城市齿轮公司运行计算机化的金属机械设备。这个为期12星期的课程将课堂学习和实践操作融为一体，将教授的职业技能与职场所需完美匹配。
马林的相机公司和森林城市齿轮公司都是高度专业化的小型美国私营企业的典范。然而，值得注意的是，他们用来制造其产品中的高精度加工零件的机器却都来自欧洲。我们已不再生产精密的由计算机控制的金属铣削机械设备。
让“毅力号”火星探测器在火星表面轻轻着陆的降落伞是在美国缝制并装配的，但制造降落伞的高科技面料是由英国希思科特纺织品有限公司（Heathcoat Fabrics）提供的。美国机织织物事业部的负责人彼得·希尔（Peter Hill）几乎是“跪在电视机前”观看了火
星探测器着陆的整个过程。
火星探测器上有看起来非常酷的“风火轮”，它们是由一整块飞机级铝材加工而成的。大多数人不知道的是，早期的一台探测器的铝制踏板中嵌入了一种“蝙蝠洞”信号。当探测器的轮子转动时，喷气推进实验室英文名的首写字母JPL就会出现在探测器的轨迹上。美国国家航空航天局称之为“视觉里程计”，可以测量出探测器移动的距离。内部人士认为，设计这个的技术人员其实并未被允许使用实验室英文名的首字母缩写。但是，正如我们将会在后文中所看到的那样，技术人员喜欢炫耀。
在贸易展览会上，我总是会向不同的公司询问它们最新机器的来源。通常，这些机器都是由工厂的一线员工提出构想、创建原型，而后由更擅长数学的工程师进一步予以完善的。当我第一次与肉类公司合作时，它们还有自己的内部工程部门和设备制造设施。这些工程部门发明了许多新设备。然而，20世纪90年代，公司为了省钱逐步将内部工程部门和大量的金属加工设施淘汰了。与此同时，随着老一代员工的退休，公司并没有迎来相应的新鲜血液，他们所拥有的技能和知识就这样无可挽回地丢失了。
许多人可能并不知道现代工业的传送带是在美国发明的，他们更不知道美国在这一领域的优势早已不复存在
。传送带的第一项专利诞生于1896年，这主要归功于发明家托马斯·罗宾斯（Thomas Robins），他最初是为托马斯·爱迪生的矿石加工公司运送煤炭和矿石的。罗宾斯在普林斯顿大学学习两年后辍学。1896年，他因改进了传送带而获得专利并创办了自己的公司。美国在输送机行业已不再领先的领域是高度自动化系统。罗宾斯创建的生产传送带的公司目前由一家印度的跨国集团拥有。
总体来说，自动化输送系统目前主要由欧洲主导。总部位于德国的凯傲集团是制造自动化仓库系统的领导者。这家公司一直在培养一支接受过行业技能培训的员工队伍，以改进供应链的输送系统，实现运输效率的最大化。在高度自动化的过程中，我们总是需要具备高技术能力的工作人员来安装和维修机器。正是这一服务让快速送货上门成为可能。亚马逊、沃尔玛和菲多利等大型美国公司都是凯傲集团的客户。英国拥有最先进的机器人仓库，而日本则在自动化机床领域独占鳌头。根据市场研究报告数据，工业机器人的五大制造商分别来自瑞士、德国和日本。中国除了生产世界上大部分的苹果手机，还制造将流行的巧克力旋转放入软冰激凌甜筒的智能机器。截至2014年，欧洲拥有37%的现代电梯市场，而美国仅占17%
。用于装卸大型集装箱船的巨型起重机主要产自欧洲和中国。你在线购买的大量商品是通过其他国家或地区制造的集装箱船运来美国的。
令人震惊的还有一台巨大的计算机芯片制造机。我是在2020年的《经济学人》杂志上首次看到的。这台让人意想不到的大机器可能来自很久之前一个遥远的星系。它看上去是一个巨大的长方形盒子，有一辆公共汽车那么高，外部四周都是白色的面板，让人丝毫看不出来它里面有什么。它的内部是各种大小不一的连接至盒子、阀门和电子设备的银色管道。紫外线光束在多个镜子之间来回反射，形成的线条比头发丝还细。此时你的大脑中可能会响起电影《星球大战》的主题曲。这些游丝般的光束将电路图案蚀刻到计算机芯片上。如果你是一名技术极客，你会觉得它非常漂亮，尤其是与前几代芯片制造机相比。之前蚀刻的图案就像是有人用粗粉笔在电路板上的潦草涂鸦。创建这样一个未来派的新设备既需要聪明的、擅长对象可视化的工程师，也需要有数学头脑的、擅长空间可视化的工程师。更令我意想不到的是，如今在电子芯片制造业最先进的设备都来自一家名为阿斯麦（ASML）的荷兰公司。计算机芯片分明是美国人发明的，但是美国走到如今这一步，究竟发生了什么？
根据布鲁金
斯学会编纂的《全球制造业记分卡》，美国工人在一系列领域的表现远远落后于其他国家。就制造业产出而言，中国位居全球第一，美国紧随其后排在第二。但是就制造业就业人口的百分比而言，美国在接受调查的18个国家中排名第16位。这项报告指出，一个最关键的问题就是缺乏足够多的技术工人来填补空白的岗位，因此“激励个人学习科学、技术、工程和数学的职业教育和培训势在必行”。
德国和荷兰等国家依然保留着匹配技术行业的课程。反观美国，制造业已外流至其他国家，留下了缺乏熟练技工进行手工劳动的空白。美国联合总承包商在2021年出具的一份报告中提到，61%的美国承包商难以找到合格的工人。在新冠疫情的防控措施放松之后，我得以再次回到牛肉加工厂。其中，一家工厂的一些设备需要重建。这些设备是简单的钢制品，需要标准的现成的液压元件。当我得知唯一能够建造它的金属加工厂的订单已排到8个月之后时，可想而知，我有多震惊。最主要的问题是，金属加工厂没有足够多的熟练工人。与加工厂的维修部门谈话后，我才发现他们也不清楚自己退休之后是否会有新一代的熟练维修工来接班。根据我读过的每一份报告，我们对技能的需求比以往任何时候都更加迫切，我们也因此面
临着前所未有的技能缺口。
如果我们不解决技术工人的短缺问题，那么我们的就业前景将陷入严重困境。新冠疫情凸显出了某些特定需求的紧迫性，诸如医疗技术人员、急救人员、护理人员、Zoom软件和视频平台专家等。但是，公共卫生的危机并不是疫情带来的。早在2008年，公共卫生学校协会就已经发布了一项报告，预测公共卫生领域截至2020年会有25万个岗位空缺。这正是我们目前面临的处境。
这一切加起来就是我所说的投入失败。我的意思是我们未能及早发现视觉思维者，鼓励他们从事可以发挥出才能和技能的工作来造福社会。同时，我们也未能将不同的思维方式加以整合，进而促进社会发展。现在，不论是在个人层面还是在大众层面，我们都在自食其果。但是，面对这一后果，我们仍然可以从个人层面和大众层面寻找解决之道。
当欧洲国家在培训和提拔他们聪明的工程师时，美国却将这些人淘汰出局。
培养聪明的工程师
我一直在收集那些能逆势而上、战胜困难的人物故事。他们让我坚信努力付出与独立思考会为真正的探索发现铺平道路。波士顿大学的生物学家林恩·马古利斯（Lynn Margulis）在研究论文被15家科学期刊拒绝之后仍一路坚持，最终论文得以发表。这篇论文论证说
明了为动物细胞提供能量的线粒体与让植物能够利用太阳光进行光合作用的叶绿体都曾经是独立的生物体。她的这一发现目前已成为公认的事实。另一位我钦佩的科学家是负责哈勃深空视觉成像的天文学家鲍勃·威廉斯（Bob Williams）。一开始，当威廉斯博士提议将哈勃望远镜对准没有任何可观测实体的宇宙太空时，他的同事们都认为这是在浪费太空望远镜宝贵的观测时间。他最后选择了北斗七星附近的一片暗黑区域。结果，当哈勃太空望远镜对准那一片看似空无的深空时，人们观察到了成千上万的璀璨星系，领略到了宇宙的浩瀚无边和所有可见恒星之外的奇妙世界。