当你指尖划过手机屏幕，刷着高清视频、聊着社交软件时，或许从未想过：手中这部轻薄设备的核心——芯片，竟是人类在“头发丝”上搭建的超级城市。一根普通头发丝的直径约 0.1 毫米，而最新手机芯片中的晶体管，尺寸已缩小到 2 纳米——相当于把千万栋建筑压缩到比尘埃还小的空间里，却能承载海量信息的高速流转。
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这种突破物理极限、挑战尺度边界的创造，正是“极端制造”的生动写照。它藏在深空探测器的核心部件里，躲在医疗设备的精密探针中，融入新能源汽车的电池组内，早已成为人类探索宇宙、改造世界、改善生活的关键手段。
今天，我们就来揭开极端制造的神秘面纱。
什么是极端制造？
2003 年，我国中南大学钟掘院士在全球首次提出“极端制造”理念。简单说，它就是在极端条件或环境下，用先进技术和高端装备，制造“极致规格”产品的制造方式——要么是尺度极微或极大，要么是精度极高，要么是能在极端环境下稳定工作，甚至能创造极端物理条件的科学装置。
极端制造打破了传统制造的物理约束和技术瓶颈，融合机械、材料、物理、光学等多学科优势，朝着“尺度、精度、环境、性能”四大极限冲锋。我们可从两个核心维度直观理解：
1.尺度极限：极小与极大的“两极穿越”
极端制造的尺度跨越堪称“天壤之别”，一端是肉眼不可见的微纳世界，另一端是震撼人心的巨型装备。
极小尺度制造（微纳制造）：瞄准微米（10⁻⁶米）、纳米（10⁻⁹米）级超精密加工，如芯片晶体管阵列、医用纳米机器人、手机微型传感器等，其对精度要求极高，差之毫厘便全盘失效。
极大尺度制造：聚焦超大型、超重型装备及系统，如全长 36 千米的北京正负电子对撞机（相当于 40 个标准足球场）、排水量 110 万吨的超大型油轮（约等于 10 艘航空母舰）、跨度超千米的跨海大桥钢箱梁等。这类制造需突破材料强度、装配精度、运输难题等多重考验，堪称“工业巨无霸”的锻造术。
港珠澳大桥丨图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷
2.环境极限：极端条件下的“生存挑战”
部分产品需在极端环境中工作，其制造过程本身就是一场“极限挑战”：耐极端温度方面，如抵御-196℃ 超低温的航天燃料储箱（接近液氮温度）、承受 5000℃ 高温的火箭发动机喷管（堪比太阳表面温度的三分之一）等；耐极端压力方面，如可在深海 10000 米（相当于 1100 个大气压）工作的探测器外壳，以及在太空超高真空环境中运行的卫星部件。这些产品的制造，必须攻克特殊材料和工艺难关，确保在极端环境下稳定工作。
极端制造到底难在哪里？
极端制造的“难”，远超常规制造的想象边界。核心难点在于：进入极端尺度或环境后，材料和构件的物理性能会出现“反常现象”，甚至违背常规物理规律，这就要求科研人员重新探索新原理、新方法。
1.极小尺度：摆脱宏观规律的“微观迷宫”
当加工对象缩小到纳米级别，宏观世界的“连续性”被打破，量子效应、分子间作用力开始主导物质行为，传统加工方式完全失效。例如制造纳米碳管晶体管，需将直径仅 1-2 纳米（比头发丝细 5 万倍）、长度达微米级的碳纳米管，精准排列在芯片基底上，排列间距误差不能超过 5 纳米，堪比在足球场里精准摆放几百根细针，且需避免相互碰撞，任何微小扰动或杂质都可能导致结构报废。更难的是操作控制，用原子力显微镜“搬运”原子时，需将探针与原子的作用力控制在“皮牛级”（相当于用头发丝撬动尘埃），稍有不慎便会破坏原子结构。
2.极大尺度：整合与控制的“系统工程”
极大尺度制造的难点，在于将数百万个精密部件组装成超大型装备并保证整体性能达标。以我国长征五号运载火箭为例，其全长 57 米、直径 5 米（相当于 20 层楼高），核心难点集中在超大部件加工和高精度装配：加工环节，直径 5 米、长度数十米的铝合金贮箱壁厚仅几毫米，需用专用模具和分步工艺避免应力变形；装配环节，芯级与助推器对接、发动机与箭体连接的精度要求达毫米级（相当于 20 层楼高建筑对接零件误差不超过牙签粗细），否则将直接影响飞行姿态
长征 5 号遥2火箭丨wikipedia / 篁竹水声
3.极高精度：复杂环境中的“精准狙击”
极高精度制造对环境要求近乎苛刻，温度、湿度、振动、气压、尘埃等都可能影响精度。以 EUV 光刻机核心透镜制造为例，加工必须在“超洁净室”进行：空气中尘埃颗粒直径不能超过 0.1 纳米（比原子还小），环境温度需稳定在±0.01℃，0.1℃ 的波动就可能导致透镜曲率变化。
更棘手的是误差累积效应，航空发动机涡轮叶片制造需经数十道工序，每道工序误差需控制在 0.1 微米以内（头发丝直径的千分之一），但微小误差会不断累积，需建立全流程误差补偿系统，实时监测并通过算法调整参数，这对传感器技术、数据处理能力和工艺建模能力要求极高。
4.极端环境：材料性能的“极限考验”
极端温压环境下，材料性能会急剧变化，给加工带来巨大挑战：极端高温（3000℃ 以上）时，多数金属会熔化氧化，如火箭发动机喷管需兼具耐高温、耐磨损、抗腐蚀等特性；极端低温（-200℃ 以下）时，材料会变得脆如玻璃，如南极科考站钢结构加工需用专用焊材控制焊缝冷却速度；极高压/超真空环境下，深海探测器耐压壳需承受 1.1 万米深海的 1100 个大气压，无任何缝隙；卫星太阳能电池板加工需在超高真空环境中进行，避免表面杂质挥发污染部件，设备成本和技术难度极高。
长征系列火箭的发动机之一丨wikipedia / Shujianyang
中国为什么高度重视极端制造？
中国对极端制造的重视，既是应对全球科技竞争的必然选择，也是推动产业升级、改善民生的现实需求。
1.国家战略：守住安全底线的“核心支撑”
航空航天、航海、国防等领域的高端装备，均离不开极端制造支撑。我国嫦娥系列登月飞船、中国空间站、大型航空母舰、450 千米/时的高铁、“蛟龙号”载人深潜器、8 万吨模锻压机、光刻机与微电子芯片等重大装备的面世，背后都是极端制造技术的突破。
在国防领域，先进武器的隐身性能、打击精度等方面也依赖极端制造的精密加工；没有自主可控的极端制造技术，国家主权和安全就缺少关键保障。可以说，极端制造是国家科技实力的“硬核名片”，更是守住安全底线的“压舱石”。
2.产业升级：打破技术封锁的“破局钥匙”
当前，我国在芯片、高端医疗设备、光刻机等领域面临国外技术封锁，而这些领域的核心正是极端制造。例如制造先进制程芯片需 EUV 光刻机，其包含数十万个精密部件，涉及超精密光学、超高真空等极端技术，突破这些技术就能打破垄断，助力我国半导体产业自主发展；在新能源汽车电池领域，通过极端制造优化材料结构，可提升能量密度和散热性能，推动产业高质量发展。极端制造的突破，能带动新材料、新工艺、新装备全面升级，推动我国制造业从“大而强”向“精而尖”跨越，摆脱对国外技术的依赖。同时也能引领科学探索，赢得全球科技竞争。
3.民生福祉：提升生活品质的“幸福密码”
极端制造看似遥远，实则早已融入日常生活，悄悄提升民生福祉：医疗领域，微型手术机器人可深入人体器官精准切除病灶，减少创伤和恢复期；交通领域，高铁轴承通过极端制造保证超高耐磨性，保障出行安全快捷；环保领域，超大型风电叶片、高效光伏组件等的极端制造，提升新能源利用效率，降低电价、改善环境；在日常用品方面，手机芯片微型化、家电高精度部件等，都离不开极端制造，让生活更智能便捷。
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从微观的纳米芯片到宏观的航空母舰，从深海的探测器到太空的空间站，极端制造的本质，是人类对“极限”的不断挑战。未来，随着更多极端制造技术的突破，我们或许能看到“纳米机器人治病”“超大型太阳能电站”等更神奇的场景。而这一切，都源于人类永不满足的探索欲和精益求精的工匠精神，在极端制造的世界里，没有“不可能”，只有“尚未实现”。
策划制作
作者丨刘惠荣 中国机械工程学会科普与奖励处处长
审核丨张文武 中国机械工程学会极端制造分会副主任委员、中科院宁波材料所研究员
策划丨张林林
责编丨甄曦
审校丨徐来、张林林
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